【综述】吴屹影教授JACS最新展望论文：带你了解超氧化物基钾

X-MOL资讯

2020-06-27

导读：美国俄亥俄州立大学吴屹影最新展望论文：带你了解超氧化物基钾–氧气电池

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2013年，美国俄亥俄州立大学吴屹影教授团队首次提出基于超氧化钾（KO₂）生成/分解的钾金属–氧气（K–O₂）二次电池（J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 2923–2926）。与传统能量转换效率低（＜70%）且需要高效催化剂的锂金属–氧气（Li–O₂）电池不同，基于单电子转移的K–O₂电池在没有催化剂或氧化还原媒介的条件下便具有高度可逆的正极反应电对（O₂/KO₂），并表现出超高能量转换效率（＞90%），这无疑可以有效解决碱金属–氧气电池长久以来反应动力学较差的难题（图1）。

图1. 基于单电子转移过程（O₂/KO₂）的K–O₂电池及其与Li–O₂电池电化学性能比较

同时，不同于不完全稳定的超氧化物（LiO₂和NaO₂），KO₂是K–O₂电池热力学/动力学稳定的唯一放电产物，这为电池的长期稳定循环提供了有效支持（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 1227–1231）。2018年，吴屹影教授在顶级期刊Accounts of Chemical Research 上发表综述论文“Potassium Superoxide: A Unique Alternative for Metal–Air Batteries”，概述了近几年全世界相关科研团队有关K–O₂电池技术的关键研究进展（Acc. Chem. Res., 2018, 51, 2335–2343），并详细讲述了包括钾（K）金属负极稳定性、电解液的选择以及氧扩散正极动力学等方面的研究。

基于对这一领域研究的重大贡献，结合课题组近期对于钾–（干燥）空气电池可行性的概念验证（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10498–10501）、K金属负极保护（ACS Energy Lett., 2020, 5, 1788–1793; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 16571–16577）、以及正极三相反应界面构筑（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 2925–2934）等方面的相关研究，吴屹影教授应化学顶级期刊Journal of the American Chemical Society 的邀请，总结并发表指导性研究展望论文“Superoxide-Based K–O₂ Batteries: Highly Reversible Oxygen Redox Solves Challenges in Air Electrodes”。首先，文章简明扼要地介绍了具有超高理论比能量的碱金属–氧气电池逐渐引起关注。随后，作者介绍了现有常见的三种碱金属（锂/钠/钾）–氧气电池，尽管K–O₂发展尚处起步阶段，但它兼具低构建成本（丰富的K和O元素储量）和超高能量转换效率等优势，是最有应用前景的碱金属–氧气电池。不过，相比于Li–O₂和Na–O₂电池，K–O₂电池由于较低的理论比能量（936 Wh kg^-1）和更加活泼的金属K负极，通常被误解为只适合基础研究而不适合实际应用，并且认为K–O₂只是Li–O₂或Na–O₂电池体系的一个延伸。为了消除人们的误解，本文重点强调了K–O₂电池特有的优势，具体包括（1）放电产物KO₂是唯一热力学/动力学均稳定的放电产物；（2）无高反应活性单线氧（¹O₂）产生；（3）可使用嵌钾石墨或者液态负极取代金属K负极以进一步提高氧气全电池安全性；（4）唯一可在干燥空气中运行；（5）唯一可匹配现有锂离子电池干燥间装配工艺的超氧化物基电池体系。同时，本文还澄清了“超氧化物”这一名称可能引起的误解以及对于电池理论比能量和能量密度的理解误区。随后，文章探讨了K–O₂现阶段发展所遇到的挑战，并提出了可行的解决方案，主要涉及如何基于固态电解质（图2）或人工SEI膜来提高K负极循环稳定性。最后，作者对于未来K–O₂的发展提出了自己的见解，提出可以重点关注二电子转移过程的K–O₂，以及可利用O₂^-/O₂^2-/O^2-阴离子对通过避免正极O₂的产生来进一步提升电池循环稳定性的建议。