Chem. Soc. Rev.：锂氧电池中Li2O2形成机理的研究进展

近年来，由于锂离子电池的低能量密度不能满足人们对于携式电子和电动汽车设备的需要，开发更高能量密度的二次电池成为电池行业新的挑战。锂氧电池具有极高的理论能量密度（~3500 Wh/kg），因此倍受研究者的广泛关注。在质子型锂氧电池结构中，阳极采用锂片，阴极采用暴露在氧气中的多孔材料，电解液采用有机体系。不同于传统锂离子电池的离子脱嵌机理，锂氧电池充放电过程中伴随着复杂的氧气还原和氧气析出机理。

近期，新加坡国立大学陈伟教授（点击查看介绍）、南京大学胡征教授（点击查看介绍）等人在Chemical Society Reviews 撰写综述论文，系统总结了锂氧电池放电过程中过氧化锂（Li₂O₂）形成机理以及对控制Li₂O₂生成过程的最新研究进展。

该论文首先介绍了Li₂O₂形成中的具体电化学及化学反应机理。如图1所示，在放电过程中，氧气在阴极被还原成O₂⁻，与Li⁺反应生成中间产物超氧化锂（LiO₂），LiO₂会进一步被还原或发生歧化反应，最终在电池阴极上生成Li₂O₂。其中，如果中间产物LiO₂吸附在阴极材料表面，易于接受第二个电子进一步被还原，在表面形成薄膜状的Li₂O₂，称之为表面生长模型；如果LiO₂溶解于电解液中，自身会发生歧化反应，在溶液中成核生长，形成颗粒状的Li₂O₂，称之为溶液生长模型。

图1. 过氧化锂（Li₂O₂）的两类生长模型，即表面生长模型和溶液生长模型。

由于Li₂O₂ 的绝缘性，在其分解过程中，会导致过高的充电过电势，进而使电池能量效率变低以及循环性能变差。而且不同的生长模型会形成不同形貌或结构的Li₂O₂，进而导致不同的电池性能。例如，颗粒状的Li₂O₂会导致更高的比容量，但是较高的充电过电势。因此，如何控制Li₂O₂的生长成为改善电池性能的关键。接下来，该论文重点讨论了如何控制Li₂O₂ 生长模型的几种重要策略（图2），包括改变放电电流密度及电压、调变电解液组分（溶剂、阴离子、水添加剂等）以及修饰多孔碳阴极催化剂表面等。

图2. 控制Li₂O₂生长的策略。

该论文的第一作者为新加坡国立大学吕之阳博士，通讯作者为南京大学胡征教授和新加坡国立大学陈伟教授。胡征教授长期在化学、物理、材料的交叉学科领域进行探索，从物理化学及功能材料的角度，围绕纳米/介观结构新材料的生长机理、成分与结构调控、能源转化/储存功能及其调控机制开展研究工作，取得系列进展。陈伟教授长期从事于分子尺度上研究表面/界面特性，目前主要关注于二维材料及低维纳米功能材料的界面问题，及其在二维材料光电功能器件及纳米催化等方面的应用。

该论文作者为：Zhiyang Lyu, Yin Zhou, Wenrui Dai, Xinhang Cui, Min Lai, Li Wang, Fengwei Huo, Wei Huang, Zheng Hu and Wei Chen

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Recent advances in understanding of the mechanism and control of Li₂O₂ formation in aprotic Li–O₂ batteries

Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 6046-6072, DOI: 10.1039/C7CS00255F

导师介绍

胡征

http://www.x-mol.com/university/faculty/11568

陈伟

http://www.x-mol.com/university/faculty/4358