CEJ：解决Li-O2电池中的氧化还原介质穿梭问题: 借助同步辐射 X 射线成像的机理研究

第一作者：李丹

通讯作者：刘佳*，明承泽*，朱杰芳*

单位：东北师范大学，韩国世宗大学，瑞典乌普萨拉大学

锂-氧电池具有超高理论能量密度，被认为是最具前景的下一代能量存储设备之一。可溶性氧化还原介质（RM）作为均质的电催化剂，通过调节电化学反应从表面途径到溶液途径，实现对Li₂O₂生成分解的定向催化，以降低充电过程的过电位从而促进反应动力学。但是可扩散的RM⁻/RM/RM⁺与Li金属阳极之间的氧化还原穿梭，导致了RM的损失和Li阳极的持续恶化，从而不可避免地降低了电池的循环次数。因此，必须采取措施抑制RM的穿梭效应，充分利用氧化还原介质。

近日，来自东北师范大学的刘佳副教授与韩国世宗大学明承泽教授、瑞典乌普萨拉大学朱杰芳副教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Addressing redox shuttling in Li-O₂ batteries: mechanistic insights by synchrotron Xray tomography”的观点文章。该论文利用苄基三乙基铵碘化物 (BTEAI)作为自我防御性氧化还原介质抑制氧化还原穿梭来提高电池的循环稳定性。I^-有效地通过改变Li₂O₂的分解路径来降低充电过电势。BTEA⁺可以促进电解质中LiTFSI的分解，并参与形成Li负极上的有机-无机复合型的保护层。此外，首次利用同步辐射X射线断层扫描技术通过监测电极界面形态演变来研究抑制穿梭效应的机制。该论文为Li-O₂电池中功能性RM的发展和原位保护Li负极策略提供了方向，有助于加速锂氧气电池电催化剂领域的研究及实际应用。

在充电过程中，其可以通过碘化物阴离子氧化还原电对（I-/I3-）作为电子-空穴载体加速Li₂O₂的分解动力学，降低过电势。采用循环伏安法（CV）研究比较了含BTEAI和含LiI电解质的电化学行为。对比多圈循环后含BTEAI和含LiI的LillLi对称电池的极化曲线、CV、EIS表明了含BTEAI的电池具有良好的界面稳定性。以及比使用LiI的锂氧气电池展现更长的循环寿命。

通过扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等表征手段探讨了BTEAI对Li负极的保护作用。在使用 LiI 的电池中，由于可溶性 I3-的穿梭效应Li负极表面被严重腐蚀。而在使用 BTEAI 循环的电池中，锂阳极表面仍光滑平坦且表面均匀地覆盖一层含有SEI的保护层。为了更好地了解其在循环后的界面演变，采用了原位同步辐射 X 射线层析成像技术观测循环后的电池界面。研究证实，BTEAI 有利于在循环过程中形成稳定的保护层，可有效保护Li负极并抑制I3-穿梭，从而确保循环稳定性的提高。

通过SEM, XRD, FT-IR, EIS, 和UV-Vis对使用 BTEAI 的电池在不同电化学状态下的循环性可逆性进行探究。表明Li₂O₂的生成/分解可逆性良好。

BTEAI作为自我防御型RM被引入Li-O₂电池。该论文利用了碘离子（I^-）可以增强OER过程的反应动力学。BTEA⁺促进了LiTFSI的分解，作为质子的来源并参与了含SEI保护层的形成。与使用LiI的电池相比，使用BTEAI的电池表现出更好的循环稳定性、倍率性能和可逆性。此外，首次采用了同步辐射X射线断层扫描技术来研究Li负极和电解质界面的稳定性，为含有RM的Li-O₂电池的原位界面演变研究提供了方向。这项工作扩展了电池在循环过程中界面演变的机理理解，并为锂-氧电池中功能性RM的发展提供了新的视角。

Addressing redox shuttling in Li-O₂ batteries: Mechanistic insights by synchrotron X–ray tomography

刘佳副教授简介：2008-2011年，上海大学纳米科学与技术研究中心攻读硕士学位，师从袁帅/赵尹老师从事光催化及燃料敏化电池的研究。2011-2015年，瑞典乌普萨拉大学Angström电池研究中心攻读博士学位，师从朱杰芳老师从事锂氧气电池电极材料的研究。2016年加入东北师范大学，现隶属于东北师范大学动力电池国家地方联合工程实验室。目前已经在包括Nano Energy, Energy Storage Mater.等高水平期刊发表多篇专业论文。

明承泽教授简介: 1997-1999年，韩国东新大学攻读硕士学位; 2000-2003年，日本岩手大学攻读博士学位。在韩国VK株式会社和3M公司进行研发工作。2007-2011年，担任日本岩手大学助理教授; 自2011年至今在韩国世宗大学先后担任副教授，教授。明承泽教授目前担任Journal of Power Sources编辑，发表文章近300篇，被引用次数超过30,000次，H因子=85，其中包括Nat. Mater., Energy Environ. Sci., Chem. Soc. Rev., Adv. Mater. 等高水平杂志。

朱杰芳博士简介: 1998-2001年，南京工业大学攻读硕士学位; 2001-2004年，华东理工大学攻读博士学位。2004-2008年先后在中科院硅酸盐研究所和瑞典查尔姆斯理工大学做博士后研究。2009年加入瑞典乌普萨拉大学化学系先后担任助理教授，副教授研究员。朱杰芳博士目前担任Catalysts（MDPI），Research on Chemical Intermediates (Springer)等杂志的编委。

李丹，东北师范大学化学学院2021级博士研究生，瑞典乌普萨拉大学联合培养博士生。主要研究方向高比能锂金属电池（锂氧气/锂硫电池）中催化剂应用和锂金属负极保护。