董全峰教授课题组Angew：具有Li2O2单电子氧化途径的高性能脲基电解液锂氧气电池

第一作者：孙宗强，林晓东

通讯作者：董全峰，郑明森

单位：厦门大学

自非水体系电池问世以来，有机酯醚类物质就一直是其电解质体系的基本溶剂。但这类电解质体系有自身缺点，并未能构建一个理想的电化学反应环境。对下一代高比能锂氧电池，探索新型电解质体系更具有重要意义。锂氧气电池以金属锂作为负极，空气中的氧气作为正极的活性物质，通过过氧化锂（Li₂O₂）的可逆生成与分解实现能量的存储与转化，由于具有极高的理论能量密度（约3500 Wh Kg^-1）而受到了广泛关注。然而，Li₂O₂分解动力学缓慢、高反应活性中间产物（如O₂^–）引发严重副反应等问题一直限制着锂氧气电池的发展。

在电化学储能装置中，电解液在为电极过程构建反应环境方面起着决定性的作用。由于氧电极反应的复杂性，电解液的作用在锂氧气电池中更加突出。一方面，其对O₂^–、O₂^2–、¹O₂等活性氧（reactive oxygen species, ROS）物种的稳定性决定了锂氧气电池的循环寿命，另一方面，它与中间产物（如LiO₂、Li_2-xO₂）的相互作用又可调控锂氧气电池的放电/充电机制，从而影响电池性能。

基于此，厦门大学董全峰教授团队在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“High-performance Lithium–Oxygen Batteries using a Urea-based Electrolyte with Kinetically Favorable One-electron Li₂O₂ Oxidation Pathways”的文章。

该文章报道了一种新型脲基电解液体系，1,1,3,3-四甲基脲(TMU)，在锂氧电池中表现出优异的电化学性能，突破了传统酯醚类体系。

图1. 基于TEGDME和TMU的锂氧气电池不同的Li₂O₂氧化机制示意图。

由于TMU具有较强的Li⁺溶剂化能力（供体数donor number：31.2），该电解液系统可以构建使Li₂O₂单电子氧化的途径（Li₂O₂ → LiO_2(sol) + e⁻ + Li⁺；2LiO_2(sol) → Li₂O₂ + O₂），该反应途径与传统醚类电解液（TEGDME）充电过程所进行的直接两电子Li₂O₂氧化途径（Li₂O₂ → O₂ + 2e^– + 2Li⁺）相比，动力学更加有利。此外，TMU还表现出良好的稳定性，因为它不包含容易被高反应活性物种O₂^– 亲核进攻的α-氢原子，从而抑制了攫氢副反应。

要点二

基于TMU的锂氧气电池表现出了比传统醚类电解液（TEGDME）基锂氧气电池更低的充电过电位（~0.51 V vs. ~1.27 V）和更长的循环寿命（~135 cycles vs. ~28 cycles）。这些优异的结果均由仅使用该新型电解液而获得，并未像传统醚类体系中进行催化设计和添加剂修饰。可以相信，基于TMU的锂氧电池将有很大的提高、改善空间，也将为锂氧气电池的进一步发展和实际应用提供了更多的可能性。

图2. TMU基锂氧气电池的电化学性能测试

董全峰，厦门大学特聘教授，博士生导师，军委科技委基础加强计划项目首席科学家、装备发展部高分重大专项专家组成员、中国电池工业协会常务理事。

长期从事电化学储能系统及关键储能材料研究，主持军工项目、国家“973”计划课题、国家“863”计划项目、国家自然科学基金重点项目、省重点项目、厦门市重大专项等项目的研究。

在国际重要期刊包括Nature Commun.，JACS，Angew，Chem，Energy Environ. Sci.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater., Energy Storage Mater., ACS Nano等上发表SCI收录论文150余篇，获得国家发明专利30余件。曾获全国信息产业科技创新先进个人、全国电池行业首批技术专家、福建省科技进步奖等、厦门市科技进步奖等。

High-performance Lithium-Oxygen Batteries using a Urea-based Electrolyte with Kinetically Favorable One-electron Li₂O₂ Oxidation Pathways

https://doi.org/10.1002/ange.202207570

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