二次锂空气电池研究的快速发展及其急需解决的关键科学问题
郭向欣1, 黄诗婷1, 赵宁1, 崔忠慧1, 范武刚1, 李驰麟1, 李泓2
1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海200050
2.中国科学院 物理研究所, 北京100090

郭向欣(1973-), 男, 博士, 研究员. E-mail:xxguo@mail.sic.ac.cn

摘要

二次锂空气电池在实现超高能量密度方面具有巨大的潜力, 因而成为近年的研究热点。针对电池的反应机制、循环寿命、过电势及倍率性能等关键问题, 国内外科学家开展了大量的研究工作, 取得了显著的进展。本文依据这些最新的研究进展, 结合作者在这些方面的探索和体会, 以关键科学问题为主线, 总结了近年来二次锂空气电池发展过程中的积极进展和面向实际应用迫切需要解决的科学问题。

关键词: 二次锂空气电池; 惰性电解质; 高能量密度; 电池性能; 反应机制; 综述
中图分类号:TQ152;TM911   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2014)02-0113-11
Rapid Development and Critical Issues of Secondary Lithium-air Batteries
GUO Xiang-Xin1, HUANG Shi-Ting1, ZHAO Ning1, CUI Zhong-Hui1, FAN Wu-Gang1, LI Chi-Lin1, LI Hong2
1. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China
2. Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100090, China
Abstract

Rechargeable lithium-air batteries have been the focus in recent years, owing to their great potential for achieving super-high specific energy density. Many researchers have carried out investigations on crucial issues such as reaction mechanism, cycle life, overpotential, rate capability, and significant progresses have been made. Based on these efforts, in combination with our own experience, this paper summarizes recent development of secondary lithium-air batteries, and our opinions on the critical scientific issues which are urgently required to solve in view of real application.

Keyword: secondary lithium-air batteries; aprotic electrolytes; high energy density; battery performance; reaction mechanism; review

二次锂空气电池采用金属锂或含锂材料作为负极, 空气作为正极, 以不含水的有机电解液或水与非水体系共存的非对称电解质、水系电解质或固体电解质作为工作电解质(其中电解质、电极也可以为流动相)。与其他电池体系相比, 该体系理论上具有最高的比能量密度(如图1所示)[ 1, 2, 3]。如果将它应用于电动汽车电池, 且最终系统能量密度达到800 Wh/kg, 则续航里程即一次充电行驶里程将能够达到800 km, 可以和燃油汽车相比拟。因此, 近年来关于二次锂空气电池的研究迅速增加。根据Web of Knowledge统计(如图2所示), 以“lithium air batteries or lithium oxygen batteries”为关键词检索所获得的发表论文和授权专利数量近年来大幅增加, 2012年发表文章接近1300篇, 授权专利接近800项。

图1 不同类型电池的比能量密度(Wh/kg)与其作为动力电池可能实现的续航里程的对比Fig. 1 Gravimetric energy densities (Wh/kg) for various battery systems and their potentials for driving range

图2 近年锂空气电池相关的论文发表数目(a)和授权专利数目(b)Fig. 2 Numbers of publications (a) and authorized patents (b) from Web of Knowledge until Aug. 16th, 2013

锂空气电池的研究已获得美国政府(DOE, EIH项目, 包括锂空气电池研究, 1.2亿美元)、日本政府(NEDO, Rising项目包括锂空气电池研究, 300亿日元)、我国政府(科技部973项目, 锂空气电池项目, 1500万人民币)的国家重点研究计划项目资助。不仅如此, 二次锂空气电池还受到诸多国际大公司的关注。例如, IBM公司在2009年设立了“Battery 500 Project”, 研究锂空气电池驱动的小型汽车实现续航里程800公里的可能性, 或者作为笔记本、远程传感器及智能机器人等供电电源的可能性。随后, 又于2012年联合Asahi Kasei和Central Glass两家知名公司继续拓展锂空气电池方面的研发。丰田汽车公司(Toyota Motor Corporation)也是最早对外公布开展锂空气电池研发的大型公司之一。在取得了一系列进展并获得多项专利之后, 该公司又于2013年联手宝马汽车(BMW), 共同开发锂空气电池。大家共同的期望是在2020年之前实现二次锂空气电池的商业化, 使之能够真正应用于电动汽车或其它领域。

然而, 作为一种新的电池体系, 能否成功应用既要考虑它的能量密度, 还需综合考评它的功率密度以及成本、安全性、能量效率、自放电、循环寿命、服役寿命、环境适应性、环境污染等诸多因素。事实上, 利用锂空气电池驱动电动汽车的设想在上世纪70年代就已被提出[ 4]。1996年Abraham和Jiang报道了聚合物电解质体系的二次锂氧气电池, 提出了2Li + O2 → Li2O2的放电机理[ 5]。在随后的十年里这方面的研究没有明显的进展。2006年, Bruce等报导采用碳酸酯类电解液体系的锂氧气电池循环50次后仍保持600 mAh/gcarbon的容量[ 6], 锂空气电池作为新一代二次电池才引起了人们的关注。随后的研究报道大多延用碳酸酯类电解液作为工作电解质, 在空气电极构筑、锂氧反应催化剂及氧输运等方面做了大量的探索工作(在以往发表的相关综述中都有相关论述[ 1, 2, 7, 8, 9, 10, 11, 12] , 在此不再累述)。但是2010以后, Mizuno、Bruce和McCloskey等科学家发现并证实碳酸酯类电解液体系的锂空气电池存在电解液严重分解的问题[ 13, 14, 15]。电池的循环主要来自于电解液分解造成的副产物的反复形成和分解, 而不是Li2O2的可逆生成与分解。因此, 建立稳定的电解液体系成为首要条件, 表征电池工作过程中Li2O2的可逆生成和分解也成为必然。随后, 在相对稳定电解液体系建立之后, 锂空气电池的研究又出现新一轮的快速发展。怎样在保持高比能量密度优势的同时延长电池的循环寿命、提升电能转换效率和倍率性能, 以及怎样完成从锂氧气到锂空气的转变受到广泛关注。真正解决这些问题可能需要经历很长的过程, 正像IBM研发团队所说“作为汽车的动力电池, 从镍金属氢到锂离子电池的转变大约经历了35年的研发。如果锂空气电池能够成功应用, 它应该有类似的历程”[ 1]

本文将主要针对当前最受关注的非水有机电解液体系的二次锂空气电池, 结合本课题组的前期研究工作, 重点论述所涉及的关键科学问题的研究进展, 展望发展趋势。对于其他体系以及电池应用涉及的技术问题, 可参考文献[1-2, 11]。

1 二次锂空气电池(有机电解液体系)反应机制与反应产物的表征

理想情况下, 基于有机电解液体系的二次锂空气电池放电时, 在以多孔碳为代表的空气正极表面发生2Li+ + O2 + 2e- → Li2O2的反应, 其热力学平衡电位在2.96 V。这时, 电子通过外电路从负极输运到正极。计入氧气的质量, 该反应可获得的理论比能量密度为3505 Wh/kg; 考虑反应前Li和反应后Li2O2的体积, 能够获得的体积能量密度是3436 Wh/L[ 2]。电池充电时, 发生Li2O2→ 2Li+ + O2 + 2e-的反应, Li2O2分解生成氧气和Li+, 电子通过外电路从正极重新回到负极。可见, 电池化学反应的核心是Li2O2的可逆生成和分解, 反应产物的表征是研究的首要问题。

事实上, 电池循环之后能够探测到Li2O2并不容易, 这可归因为多种因素: 一是Li2O2对空气敏感, 遇到水分很快形成LiOH, 使很多检测手段受到限制; 二是很多研究都采用粘结剂和碳材料相混合的多孔正极, 小尺寸的孔道限制了Li2O2颗粒的长大, 而且生成的Li2O2聚集在碳材料的内部空隙之中; 另外, 反应过程中生成的副产物, 往往包覆在Li2O2颗粒的表面。以上因素增加了探测Li2O2的难度, 这也是最初碳酸酯类电解液体系的锂空气电池研究中, 缺少对Li2O2的分析表征的重要原因之一。

产物表征是探索反应机理的基础, 对二次锂空气电池的研究至关重要。基于这一共识, 近年来人们开发了大量表征反应产物的技术手段, 包括X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)[ 16, 17, 18]、拉曼光谱(Raman spectroscopy)[ 19]、红外光谱(FTIR)[ 14, 20, 21]、电化学气相质谱仪[ 15, 22, 23]、光电子能谱(X-ray photoemission spectroscopy, XPS)[ 24, 25, 26]、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)[ 24, 27]、透射电子显微镜(Transmission electron microscope, TEM)[ 28, 29]和基于同步辐射光源的多种X射线技术[ 30, 31, 32, 33], 以及原位原子力显微镜[ 34]等。本文对于以上的各项工作不做详细介绍, 而将从空气正极构筑的角度, 结合本实验室在产物表征和分析机理的工作, 阐明这方面的发展历程和尚需解决的关键科学问题。

针对前面提到的探测Li2O2的困难, 我们在空气正极的构筑方面选择了生长在不锈钢网上的垂直定向碳纳米管(Vertically aligned carbon nanotubes, VACNTs)[ 35, 36], 它的微观结构如图3所示。从图3中不难发现, VACNTs的长度大约有60 μm, 碳管为多壁, 由大约10~15碳层组成, 最内壳层和最外壳层的直径分别是5 nm和15 nm。这种结构的优势是碳管和集流体直接相连, 无需添加导电剂和粘结剂。这样不仅避免了碳管之间间隙的堵塞, 而且在观测过程中可以减少添加剂对反应产物的干扰。另外, 这种垂直定向的构型有利于电子、离子和氧分子的输运, 提高放电过程中Li2O2的生成量与充电过程中产物的分解速率。

图3 垂直定向碳纳米管的SEM图片(a)和的TEM图片(b)[ 35]Fig. 3 SEM (a) and TEM (b) images for vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs)[ 35]

结合防止反应产物暴露空气的一些实验手段, 例如设计如图4所示的XRD测试装置, 使表征结晶态的反应产物成为可能。利用XRD我们清晰地观测到以二甲醚(Dimethoxyethane, DME)为电解液体系的锂氧电池在放电过程中(如图5所示) Li2O2的逐渐增多和充电过程中Li2O2逐渐减少的演变历程(如图6所示)。

图4 可防止反应产物暴露空气的XRD测试装置[ 35]Fig. 4 XRD facility for detecting crystalline reaction products prevented from exposing to air[ 35]

图5 DME电解液体系的锂氧气电池的充放电曲线[ 35]Fig. 5 Discharge and charge curves for Li/DME/O2 batteries[ 35]

图6 Li/DME/O2电池在不同充放电状态下反应产物的非原位XRD图谱[ 35]Fig. 6 Ex situ XRD patterns of reaction products at different discharge and charge stages for Li/DME/O2 batteries[ 35]

在利用XRD分析的同时, 我们采用SEM对不同充放电状态下的Li2O2形貌进行了观测, 结果如图7所示。从中可清楚地看到Li2O2从最初放电开始时的成核(图7(a)), 逐渐长大(图7(b)), 直至放电终态演变为围绕碳管的算盘珠形颗粒(图7(c)); 然后, 在最初充电过程中颗粒表面分解, 表观体积增大(图7(d)), 到最后颗粒完全消失(图7(e))。同时利用TEM观测到了Li2O2的微观晶体结构, 进一步证实了Li2O2是围绕碳管生成长大的(如图8所示)[ 35]

图7 Li/DME/O2电池在不同充放电状态下VACNTs形貌演变的SEM照片[ 35]Fig. 7 SEM images of VACNT cathodes for Li/DME/O2 batteries with different discharge and charge stages[ 35](a) Discharged to 500 mAh/g; (b) Discharged to 1200 mAh/g; (c) Discharged to 3500 mAh/g or 2.0 V; (d) Recharged to 3.5 V; (e) Recharged to 4.3 V; (f) The 8th discharged to 1100 mAh/g

图8 Li/DME/O2电池放电产物Li2O2的TEM形貌照片[ 35]Fig. 8 TEM images of Li2O2 formed after discharge of Li/DME/O2 battery[ 35]

更为有趣的是, 在限制放电容量的测试条件下, 我们观测到算盘珠形Li2O2和锈状非晶Li2CO3共生的情况(图7(f))。而且随着循环次数的增加, Li2O2生成量不断减少, Li2CO3的量不断增加。这一结果被XPS和TEM的测试进一步证实, 详细描述可参考文献[35]。以上数据说明碳酸盐的累积是DME体系电池性能退化的重要原因。

上述采用VACNTs作为研究Li2O2的方法与美国Shao-Horn等研究的主要结论基本一致[ 37]。对于Li2O2的形貌和晶态结构的分析, 还有其它报道[ 38]。但是对于其生长及分解机制的研究尚需深入。

对于DME电解液体系的电池, 和我们利用VACNTs对四乙二醇二甲醚(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME)和离子液体(PP13TFSI)为电解液体系电池产物的研究分析, 类似算盘珠形的晶态Li2O2[ 36, 39]均被观测到(如图9所示)。另外, 通过优化空气电极的多孔结构, 放电终态的Li2O2也可具有类似的形貌[ 27, 40]

图9 (a)Li/LiClO4:TEGDME/O2电池和(b)Li/LiClO4: PP13T FSI/O2电池第1次放电生成的Li2O2的SEM形貌照片[ 39]Fig. 9 SEM images of VACNTs cathodes with Li2O2 particles for (a) Li/LiClO4:TEGDME/O2battery and (b) Li/ LiClO4: PP13TFSI/O2 battery after the 1st discharge[ 39]

清晰表征电池充放电的产物为深入探究锂氧反应机制奠定了重要的基础, 并提出了很多需要澄清的科学问题: 首先, 电池释放的能量来源于Li2O2的成核和生长。Li2O2的导电性决定着Li2O2颗粒是从碳管处向外不断生长、还是从电解液中析出生长、或者是先成核再从外部生长。Nazar等[ 41]认为Li2O2颗粒是从电解液中溶解析出的。Shao-Horn等[ 42]观测到Li2O2颗粒是以薄层状的形式堆积形成的。对于Li2O2材料的导电性, 理论和实验方面都有所讨论[ 43, 44, 45], 但是要真正阐明由锂氧电化学反应所生成的Li2O2的体相及表面导电的问题, 还需要更多更细致的原位原子级分辨的实验和理论分析工作。

其次, Li2O2颗粒是怎样分解的?Nazar等采 用涂覆式的空气电极(其中包括粘结剂和催化材料), 报道了Li2O2层塌陷的情况[ 41]。Shao-Horn等用原位TEM观察到Li2O2和碳管界面处的优先分解, 即与碳管接触的Li2O2分解得快, 远离界面的分解得慢, 说明Li2O2的分解是电子受限过程[ 46]

另外, Li2O2颗粒的形貌和大小受到电流密度的影响, Nazar等[ 47]认为小电流密度会形成环形Li2O2颗粒, 大电流密度会形成薄膜形Li2O2颗粒, 不同形貌会对充电阶段的过电势产生影响。

但在以上讨论中, 很少涉及副产物碳酸盐的影响。在目前广泛使用的电解液中, 无论是DME、TEGDME还是相对稳定的离子液体, 都发现碳酸盐的形成。目前认为它的累积是造成电池性能衰减的关键因素。但是碳酸盐的形成原因较为复杂, 它可能来自于电解液的分解、碳电极的氧化、气氛中CO2的作用[ 35, 39, 48, 49]。怎样清晰地阐明碳酸盐的形成机制及其对Li2O2颗粒分解的影响, 从而找到抑制或消除反应产物在空气正极表面的累积, 将是下一步锂空气电池发展需要解决的关键问题之一, 尤其需要对碳酸盐含量的量化信息。

2 氧正极化学反应机制对电池循环寿命的影响

二次锂空气电池研究的另一个难点是其循环寿命, 如果采用放电到2 V的测试条件, 电池可循环多次的文献报道很少。当然, 电池的性能和多孔空气电极的构型有关, 如孔容、孔径和它的尺寸分布。另外, 锂负极和电解液对循环性传的影响同样不可忽视。有关这方面的讨论, 可参考文献[7-12]。下面, 我们将从电池充放电过程中氧正极反应机制的角度来讨论影响电池循环寿命的关键因素。

2.1 放电过程中氧正极钝化对循环寿命的影响

从目前报道的文献来看, 锂空气电池能够循环几十次或上百次都是在限制放电容量的条件下实现的。我们采用VACNTs作为氧正极, 采用相对稳定的离子液体PP13TFSI作为电解液, 对这一问题进行了探讨。如图10(a)所示, 在2.0~4.0 V充放电的电压范围, 即不限制放电容量, 可以看到循环过程中电池的容量不断衰减, 20次循环后容量只有最初的20% (’600 mAh/gcarbon)。如果限制电池的放电容量在600 mAh/gcarbon, 同样充电至4.0 V, 电池则循环28次保持容量不衰减(如图10(b)所示)。

图10 (a)充放电电压范围2.0~4.0 V、电流密度0.2 mA/cm2的测试条件下的充放电循环曲线; (b)放电容量限制在600 mAh/g、充电截至电压4.0 V、电流密度0.2 mA/cm2的测试条件下的充放电循环曲线[ 36]Fig. 10 Cycle curves measured at (a) the voltage range from 2.0 V to 4.0 V and a current density of 0.2 mA/cm2; and (b) the voltage range from 2.0 V to 4.0 V and a current density of 0.2 mA/cm2 with limited discharge capacity of 600 mAh/g[ 36]

The electrolyte is PP13TFSI-LiClO4, and the testing temperature is set at 60℃

这一现象的产生应该与放电产物在氧正极表面的沉积有关。如图11(a)所示, 在不限制容量的情况下, 经历了20次循环后再放电, 电极表面被接近非晶的碳酸盐全部覆盖, 很难看到算盘珠状的Li2O2颗粒。而在容量限制在600 mAh/gcarbon的条件下, 经历50次循环后再放电, 除了碳酸盐包覆在碳管表面, 算盘珠状的晶态Li2O2颗粒仍然可以找到, 如图11(b)所示。这充分表明, 放电深度的增加将加速碳酸盐在氧正极表面的累积。由于多数情况下碳酸盐的可逆性较差, 造成氧正极的钝化。而放电深度的减小可缓解碳酸盐的沉积对碳管的钝化作用, 延长电池的循环寿命。

图11 (a)Li/LiClO4:TEGDME/O2电池在不限制容量情况下第21次放电后氧正极表面的SEM照片, (b)Li/ LiClO4: PP13 TFSI/O2电池在限制容量情况下第51次放电后氧正极表面的SEM照片Fig. 11 SEM images of VACNTs cathodes for (a) Li/LiClO4: TEGDME/O2battery without capacity limitation after the 21st discharge and (b) Li/ LiClO4:PP13TFSI/O2 battery with capacity limitation after the 51st discharge

以上结论与Bruce等[ 50]研究结论一致。他们采用多孔金作为氧正极, 有效地抑制了碳酸盐在其表面的沉积, 从而使电池循环100次后仍然能够保持最初的放电容量。

2.2 充电过程中氧正极表面产物分解对循环寿命的影响

如上所述, 很多文献报道都采用限制放电容量的方法来提高电池的循环性能, 机理在于缓解反应产物对电极表面的钝化。对于去除反应产物在氧正极表面的沉积, 充电应该发挥更重要的作用, 但是相关报道却很少。在工作中, 我们发挥VACNTs在检测反应产物的优势, 对充电电压对氧正极表面反应产物的分解作用及其对循环寿命的影响进行了深入研究[ 39]

在以TEGDME为电解液体系的电池中, 充电截止电压对循环次数的影响非常显著。比较图12(a)、12(b)和12(c), 可以清楚地看到当充电截止电压从4.0 V、4.25 V增加到4.5 V时, 在放电容量保持不衰减的情况下, 电池的循环次数从几次增加到30多次。对产物的分析表明, 4.25 V的充电截止电压不能完全分解Li2O2(如图13(a)所示), 它的累积无疑加剧了对碳管表面的钝化。只有当充电截止电压达到4.5 V, Li2O2颗粒才完全消失(如图13(b)所示),循环性能显著提高。

图12 充放电电压范围(a) 2.0~4.0 V, (b) 2.0~4.25 V, (c) 2.0~4.5 V, 电流密度0.4 mA/cm2和放电容量限制在1000 mAh/g的条件下的充放电循环曲线。电池的电解液均为LiClO4:TEGDME, 测试温度为室温[ 39]Fig. 12 Cycle curves measured in the voltage range of (a) 2.0-4.0 V, (b) 2.0-4.25 V, (c) 2.0-4.25 V at a current density of 0.4 mA/cm2 and cutoff capacity discharge of 1000 mAh/g for Li/LiClO4:TEGDME/O2 batteries. The measured temperature is room temperature[ 39]

图13 Li/LiClO4:TEGDME/O2电池在(a) 4.25 V和(b) 4.5 V充电后氧正极表面的SEM照片[ 39]Fig. 13 SEM images of VACNTs cathodes after charged to (a) 4.25 V and (b) 4.5 V for Li/LiClO4:TEGDME/O2batteries[ 39]

值得注意的是, 在以离子液体PP13TFSI为电解液体系的电池中, 同样观察到了充电截止电压对循环次数的显著影响。当充电截止电压从4.0 V增加到4.5 V时, 在放电容量保持不衰减的情况下, 电池的循环次数从8次增加到40次(如图14(a)和14(b)所示)。对充电过程中产物分解的分析表明, 4.0 V可以将放电至2 V所生成的大部分Li2O2分解掉[ 37]。而且PP13TFSI的稳定性远好于TEGDME, 由前者分解产生的碳酸盐要少得多, 碳酸盐的形成主要来自于碳管在充电过程中的氧化。Bruce等[ 48]发现3.5 V以上的充电电压就可以在碳管表面形成碳酸锂。所以4.5 V可以使分解碳酸锂的量大于其生成的量, 从而缓解了碳酸锂的累积, 增加循环次数。XPS进一步分析表明, 电池性能退化最终都是由于碳酸盐在碳管表面的累积所导致的[ 39]。这表明电池性能的大幅提高必须找到消除碳酸盐在电极表面累积的有效方法。

图14 充放电电压范围(a)2.0~4.0 V和(b)2.0~4.5 V, 电流密度0.2 mA/cm2和放电容量限制在800 mAh/g的条件下的充放电循环曲线。电池的电解液均为LiClO4:PP13TFSI, 测试温度为60℃[ 39]Fig. 14 Cycle curves measured at voltage range of (a) 2.0-4.0 V and (b) 2.0-4.5 V at a current density of 0.2 mA/cm2 and cutoff discharge capacity of 800 mAh/g for Li/LiClO4:PP13TFSI/O2 batteries. The measured temperature is 60℃[ 39]

2.3 氧正极其他反应对电池循环寿命的影响

本课题组在实验中还发现电流密度、电解液的特性(如锂盐浓度[ 51]、氧气溶解率等)以及氧气环境的不同都会对氧正极的反应产生影响, 进而影响电池的循环寿命, 这些方面的研究需要今后更多更深入的工作来阐明其中的机理。

3 过电势问题

目前针对锂空气电池过电势的机理问题, 探索得还较少。但是, 这一问题对锂空气电池未来的应用发展至关重要, 因为实际应用的二次电池要求能量效率达到90%以上。恒电流充放电模式下的能量效率, 即放电平台电位与充电平台电位的比值, 它显然与充电和放电电位的过电势直接相关。

然而, 大部分文献所报道的锂空气电池的能量效率在60%~70%, 即使电极材料中引入了催化材料。最近, Bruce等通过在多孔金电极中添加氧化还原介质, 大大降低了充电电压, 使电池的能量效率提高到80%, 但仍低于90%的要求[ 52]

总结我们以往的数据, 首先不难发现采用不同的电解液会导致不同的过电势。比较图15(a)和15(b)可以看出, TEGDME电解液体系所产生的充放电电压差约为1.7 V。在离子液体PP13TFSI电解液体系中的电压差约为1.2 V。其它有关离子液体的充放电压差甚至更小(’0.75 V)[ 53, 54]

图15 (a) Li/LiClO4:TEGDME/O2电池的(测试电流密度为 0.4 mA/cm2, 测试温度为室温); (b) Li/LiClO4:PP13TFSI/O2电池(测试电流密度为0.2 mA/cm2, 测试温度为60℃)的充放电曲线及其过电势Fig.15 Discharge and charge curves for (a) Li/LiClO4: TEGDME/O2battery measured at 0.4 mA/cm2 and room temperature; (b) Li/LiClO4:PP13TFSI/O2battery measured at 0.2 mA/cm2 and 60℃

根据前面的讨论, 已知TEGDME电解液充电过程中易分解形成碳酸盐。离子液体更为稳定, 充电过程中基本不分解。因此, 可以说反应副产物在电极表面的沉积是影响过电势的重要原因之一。但是, 即使是在最为稳定的离子液体电解液体系中或副产物很少的多孔金电极体系中[ 52], 仍然存在较大的过电势。初步的研究表明, 升高测试温度可以减小过电势, 但是却很难被完全消除。回顾锂离子电池基于转变反应的负极材料, 如MnO体系[ 55, 56, 57], 虽然采用纳米技术制备出的MnO材料可极大地提高电极的倍率性能, 但是材料自身所固有的过电势却很难消除。即使采用升高测试温度的方法, 仍然存在明显的过电势。因此, 对于MnO体系的过电势, 通常认为是由其自身热力学特性引起的。那么, 对于锂空气电池充放电过程中表现出来的电位差, 其根本的热力学与动力学机制是什么, 将是我们下一步的研究重点。

4 催化剂效应

在锂空气电池最初的发展进程中, 寻求促进氧还原和氧析出反应的催化材料一度成为研究热点, 其中包括碳基材料、贵金属、过渡族金属氧化物、氮化物和配合物等多种催化材料[ 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74]。人们还尝试把在水系催化中作用明显的材料用在惰性有机电解液体系的锂空气电池中[ 75]

虽然很多材料在碳酸酯类电解液锂空电池中表现出减小电势的作用, 但是IBM的McCloskey和Luntz等[ 76]研究发现: 在碳酸酯类的电解液体系中, Li2O2不是放电反应的主要产物, 大部分情况下催化材料的作用是促进电解液的分解; 在DME电解液体系中, 放电产物主要为Li2O2, 与C相比, Pt、Au、MnO2的纳米颗粒都没有表现出明显的催化行为。他们还通过定量差分电化学质谱仪分析析出氧与电子比率发现: 如果在电解液和正极材料稳定的情况下, Li2O2的分解可能不需要催化剂[ 77]

与以上结论不同, Nazar等[ 41]采用循环伏安法分析了Co3O4的催化效应, 提出电催化和促进质量转移的概念。他们认为Co3O4与C材料相比, 虽然没有体现出传统意义上的电催化作用, 但是却促进了Li2O2的分解过程中的质量转移, 从而减小充电过程中的电压平台。

针对以上分歧, Shao-Horn等[ 78]通过实验解析出Li2O2分解的两个步骤: 第一阶段, 充电初的过电势小于400 mV, Li从Li2O2中脱出形成Li2-xO2, 然后它们通过歧化反应产生氧气。这一阶段是自发产生的, 充放电速率和催化剂都不会产生作用; 第二阶段, 充电的过电势在400~1200 mV, 主要是体相Li2O2的分解过程。这一阶段会受到充放电速率和催化剂的显著影响。通过这些结果可以很好地理解以上两个工作所产生的分歧。而且, Shao-Horn等认为催化剂在高电位的反应过程中的确起作用。

有一点必须指出的是, 在Shao-Horn等的实验中, 为了阐明相关机理, 放电容量控制的非常小, 这造成充电阶段的副反应十分微弱, 即副产物的影响非常小[ 78]。然而目前绝大多数使用的电解液和碳基电极都存在充电过程中碳酸盐在正极表面沉积的问题, 极大地影响了充放电过电势和电池性能。即使是催化剂可以促进Li2O2的分解, 由于碳酸盐在其表面的沉积钝化, 使催化剂的作用很快减弱甚至消失[ 41]

因此, 对于锂空气电池中碳酸盐的问题, 有两个研究方向值得关注: 一是采用非碳氧正极材料, 如多孔金作为正极材料[ 50], 可有效减少碳酸盐的累积。如果进一步引入针对Li2O2生成与分解反应的催化剂, 则可有效提高电池的倍率性能并减少电池的过电势; 二是探求能够分解碳酸盐催化剂的研究[ 79], 可以有效去除电池充电过程中副产物碳酸盐在正极表面的累积, 增加电池的可逆性, 减小过电势。而且更大意义可能在于, 近来人们发现采用背景空气为工作气体的锂空气电池能够实现可逆循环[ 80, 81], 而其中所涉及到的关键问题就是碳酸锂的生成和分解。这就是说, 如果能够获得针对碳酸锂的催化剂, 那么二次锂空气电池的关键技术瓶颈之一有望被解决。

5 总结和展望

二次锂空气电池由于是化学储能体系中能量密度最高的体系近年来受到了高度关注, 相关研究发展迅速。在经历了从碳酸酯类到醚类作为电解液的电池体系之后, Li2O2的探测和表征得到长足发展, 在目前较常用的几种电解液体系中(如TEGDME、DMSO、PP13TFSI离子液体等), Li2O2作为放电的主要产物得到了确认, 并对于它的成核、生长与分解机理也有了初步认识。在这些工作基础之上, 通过正极反应控制, 二次锂空气电池的循环次数可以提高到几十甚至上百次。然而, 目前的二次锂空气电池距离可实用的高效长寿命二次电池还有相当大的差距, 进一步发展急需解决的关键科学问题包括:

1) 电池放电的主要产物Li2O2的生长与分解机理。深入理解充放电电压范围、电流密度及氧正极表面的化学反应对Li2O2的形貌、尺寸、覆盖度、致密度的影响, 了解从原子尺度到亚微米尺度的生长规律是提高电池性能的重要问题。

2) 反应副产物碳酸盐的形成机理分析。目前所研究的大部分二次锂空气电池, 都存在副产物碳酸盐的生成及在电极表面累积的问题。因此, 怎样能够表征与过氧化锂共存的碳酸锂的结构、空间分布、生长机制, 特别是能够定量表征碳酸盐的含量, 是阐明其成因并消除其在氧正极表面累积的重要前提。

3) 电池充放电过程中的过电势问题。过电势较大会造成电池的能量转换效率较低, 严重制约其实用化发展。但是导致过电势的根本原因是什么, 除了副产物的作用, 是否还存在反应中热力学的本征制约因素。这一问题的阐明不仅可以获得电池能量效率的量化信息, 而且可以找到提高能量效率的有效手段。

4) 锂空气电池中的催化机制与催化剂选择的问题。电池工作过程中氧还原与氧析出反应是如何发生的, 以及引入的催化剂发挥了何种作用, 是具有传统意义的电催化效应还是仅仅起到了促进质量传输的作用。另外, 对于可催化碳酸盐分解的催化剂对电池性能提高所能够发挥的作用同样令人期待。

以上这些问题的澄清对于锂空气电池性能的大幅提高应该会起到至关重要的作用。相信通过各国科学家持之以恒的努力, 人们对二次锂空气电池中关键科学问题的理解将不断深入, 在技术上使二次锂空气电池走向应用将不断得到推进。最终实现高效高比能且长寿命的二次锂空气电池, 使之真正能够成为电动汽车或移动电子器件的供电电池。

郭向欣, 男, 中国科学院上海硅酸盐研究所研究员, 博士生导师。2000年在中国科学院物理研究所获博士学位。随后, 在德国斯图加特马普固态研究所等欧洲著名单位连续从事科研工作8年。期间的工作主要集中于: (1) 离子导电材料电输运特性的界面调控; (2) 低维材料的外延生长与原位同步辐射监控。2008年受到中科院“百人计划”资助进入上海硅酸盐研究所工作, 2009年获得中国科学院“百人计划”择优支持和上海市“浦江人才计划”的荣誉称号与资助。目前作为负责人承担国家自然科学基金项目多项, 作为“离子导电能量转换材料与薄膜锂电池研究” 课题组组长承担“中国科学院重点部署项目: 锂空气电池关键材料”和“上海硅酸盐研究所-索尼锂电池联合实验室”的国际合作项目。当前主要研究集中于: (1) 高比能二次金属空气电池; (2) 界面离子输运与存储及其在能源材料中的应用。迄今, 已在Adv. Mater., Adv. Energy Mater. Adv.Funct.Mater., Nano. Lett., J. Power Sources, J. Phys. Chem. C, Appl. Phys. Lett., Phys. Rev. B等重要国际学术期刊发表论文几十篇, 受到国内外科学家的关注。

The authors have declared that no competing interests exist.

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