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AEM锂氧电池：氧化还原介质改善锂氧电池性能的比较研究

科学材料站

2020-06-08

导读：本文采用循环伏安法（CV）研究了二甲基亚砜和四乙二醇二甲醚电解质在Li-O2体系中的20 RMs，测定了它们的氧化还原电位、正极和负极峰的分离以及电流强度等电化学特性

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导读

氧化还原介体（RMs）是一种可溶的催化剂，位于电解液中，可以提高锂氧电池的能量效率（降低过电位）和循环性。

近日，美国伊利诺伊大学的Amin Salehi-Khojin教授和阿贡国家实验室Larry A. Curtiss教授等人在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“A Comparative Study of Redox Mediators for Improved Performance of Li–Oxygen Batteries”的文章。本文第一作者是Chengji Zhang。

本文采用循环伏安法（CV）研究了二甲基亚砜和四乙二醇二甲醚电解质在Li-O₂体系中的20 RMs，测定了它们的氧化还原电位、正极和负极峰的分离以及电流强度等电化学特性。根据它们的电化学性能，选择6个RMs作为“主要”选择，然后进行稳定性试验，以检查它们在连续循环后的电化学响应。

此外，恒流循环试验是在一个锂-氧电池系统内进行的，该系统装配有选定的六个有效值，用于实际情况的一致性调查。结果表明，卤化物和有机金属均方根的恒电流-恒电流循环试验结果是一致的，前者表现出更高的稳定性。然而，有机均方根在循环伏安中表现出较高的可逆性，而在电池循环结果中表现出较低的可逆性。为了进一步了解RMs的稳定性和氧化还原电位，进行了密度泛函理论计算。本研究为选择最可靠的锂-氧电池RMs值提供了比较信息，同时对其电化学活性和稳定性有了新的基本认识。

背景简介

1、锂氧电池目前的障碍

交通设备的电气化被公认为是一项有希望的战略，以尽量减少对化石燃料的依赖，并最终解决人类对气候变化的担忧。在下一代储能技术的所有候选产品中，锂-氧（Li-O₂）电池因其高理论能量密度而备受关注。然而，现有的Li-O₂系统存在主要问题，包括负极电极退化、正极堵塞，电解质不稳定性和高充电过电位。在作者之前的工作中，作者展示了一个锂-氧电池，在没有任何负极、正极和电解质失效迹象的空气样大气中运行多达700次循环。然而，放电产物分解的高充电电位（>4.0V vs Li/Li⁺）仍然是现有Li-O₂系统实际开发的主要障碍之一。

2、RMs总体反应机理

虽然固体催化剂一直是催化放电产物分解的研究对象，最近的研究报道了基于氧化还原介质的液体催化剂的研究。这些研究表明，无论其大小、形状或厚度如何，氧化还原介质（RMs）可以有效地分解Li₂O₂，从而可以提高Li-O₂电池的能量效率（减小的极化间隙）和循环性。RMs的总体反应机理总结在下列方程式中。在电池充电期间，RM最初被氧化到较高的氧化状态。氧化形式的RM（RM*）随后参与氧化放电产物（Li₂O₂）以形成Li⁺和分子氧（O₂）。

核心内容

到目前为止，二甲基亚砜（DMSO）中的任一种或二甲基亚砜（DMSO）中的RMs，如四硫富瓦烯（TTF），碘化锂（LiI）中的I₃-/I₂或I^-/I₃^-，三[4-（二乙氨基）苯基]胺（TDPA），2,2,6,6-四甲基哌啶氧基（TEMPO），铁（II）酞菁（FePc），2-氮杂烷-N-氧基（AZADO），和二茂铁（FC）四甘醇二甲醚（TEGDME）已被多个研究小组报道。

然而，这些研究都没有系统地研究过RMs在特定锂氧电池系统中的性能。在这项研究中，从循环伏安法（CV）的角度，作者研究了DMSO和TEGDME电解质中有机金属、卤化物和有机基团的一系列RMs的电化学特性，如氧化还原电位，阴极和阳极峰的分离及其电流强度。这些测量的CV参数首先用于在所有研究的RMs中预先筛选“主要”RMs。然后，从循环伏安和电池循环实验中进一步研究所选的“初级”RMs的可逆性，随后进行密度泛函理论（DFT）计算，以深入了解其在锂氧电池中的稳定性。

图1. 被测RM在DMSO溶剂中的电化学性能

文章链接:

A Comparative Study of Redox Mediators for Improved Performance of Li–Oxygen Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000201

老师简介:

Larry A. Curtiss 教授

Larry A. Curtiss是阿贡国家杰出研究员，也是阿贡国家实验室材料科学部分子材料小组的组长。他还是美国能源部储能中心联合储能研究中心（JCESR）的高级研究员，以及美国能源部能源前沿研究中心电能储藏中心的副主任。他获得了理学学士学位威斯康星大学麦迪逊分校1969年获得博士学位。他获得了博士学位。1973年在约翰·波普尔（John Pople）的指导下获得卡内基·梅隆大学（Carnegie-Mellon University）的博士学位。他的论文研究集中在氢键配合物的量子化学研究上。1973年至1976年，他是俄亥俄州哥伦布市巴特尔纪念研究所的巴特尔研究员。1977年，他成为阿贡国家实验室的研究员。

Curtiss是460多种出版物的作者。他的研究专注于计算化学，包括开发用于精确能量计算的新量子化学方法（G1，G2，G3和G4理论），以及将计算方法应用于材料科学和化学中的问题，包括催化，电池和碳。材料。他最近的计算研究专注于锂离子电池的新型电解质和电解质添加剂的设计，锂离子电池负极材料的建模，对Li-O₂和Li-S电池的充放电化学的理解，催化反应支撑的亚纳米团簇和二维材料的机理以及生物质转化反应机理。他还是5项以上专利的共同发明人。他被科学信息研究所（ISI）列为化学领域的高被引科学家。

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