清華科學家新發現：分子篩可大大增強鋰氧電池性能

隨著各類智能電子產品應用的快速普及，目前鋰離子電池的容量逐漸無法滿足電子產品的能源需求。作為新型高容量電池的代表之一，Li-O2電池具有比目前Li-ion電池高得度偶讀理論比容量，吸引了眾多研究學者的關注。

Li-O2電池一般由鋰金屬陽極、有機電解質、多孔碳陰極組成，在放電時Li和O2發生反應在陰極形成Li2O2，在充電時陰極的Li2O2發生分解。由於Li2O2會生長成一種絕緣薄膜，其覆蓋碳陰極上會使其鈍化，從而導致電池放電容量逐漸下降直至失效。

近日，來自清華大學的研究團隊發表了一項最近研究成果，他們在此前工作的基礎上，創新性的在Li-O2電池的電解質中引入了分子篩，有效的遏制了Li2O2薄膜的產生，大大提高了電池的放電容量。相關研究成果發表在上周的ACS Applied Material & Interfaces 期刊上。(「Molecular Sieve Induced Solution Growth of Li2O2 in the Li–O2 Battery with Largely Enhanced Discharge Capacity」)

為了延長Li-O2電池的壽命並提高其放電容量，研究學者們考慮了各種方案，包括優化陰極結構防止陰極被鈍化，以及增加添加劑改變Li2O2的生長方式等等。清華大學材料學院康飛宇教授帶領的研究團隊，此前曾經報告過一種Li-O2電池的低成本、環保有機添加劑，能夠有效限制Li2O2薄膜的生長，顯著提高了Li-O2電池的放電容量，不過他們發現這種添加劑可能會產生微量水，導致一些副反應的發生，使得電池性能不夠穩定。

該團隊研究人員想到利用分子篩來吸收電池反應過程中在電解質中產生的遊離水分子。首先研究人員通過對商用分子篩進行了簡單處理：首先用瑪瑙研缽研磨20分鐘，然後在馬弗爐中空氣氣氛下500℃退火4小時，冷卻至350℃後轉移至110℃真空烘箱保持24小時後，轉移至裝有高濃度氬氣、嚴格控制氧氣和水分的手套箱中備用。

隨後將處理後的分子篩加入到四甘醇二甲醚(TEGDME)電解質中，與鋰金屬和碳紙組裝成Li-O2紐扣電池。實驗結果證明，僅加入了2g/L分子篩的Li-O2電池放電容量大大提高，比同等條件下不加分子篩的電池放電容量高了63倍。

不加分子篩與加不同濃度分子篩的Li-O2電池放電容量差異圖

進一步研發人員發現，大於2g/L的分子篩濃度不但不會繼續提高放電容量，反而會引起容量的輕微降低。研究人員預測，這是由於電池體系中遊離水分子基本被分子篩所吸收，多餘的分子篩反而引起電解質電導率和碳陰極電導率的下降。

研究人員對完成的Li-O2碳陰極進行了XRD和SEM分析，發現添加了分子篩後，放電產物仍然是Li2O2，但是分子篩的加入使得Li2O2的生長機理髮生了變化，誘導形成了大量環形Li2O2顆粒。

不加分子篩(b、d、f)與加分子篩(c、e、f)的Li-O2電池碳陰極SEM圖

研究人員認為這種分子篩的誘導作用，可能與分子篩對極性中間產物的吸附有關。在Li2O2形成過程中，分子篩吸附集聚了中間產物超氧化物LiO2，其隨後歧化成Li2O2沉積在分子篩和陰極表面。

該研究通過在電解質中添加經過簡單處理的商業分子篩即有效提高了Li-O2電池的放電容量，其亮點不僅在於大幅度提高了鋰氧電池的性能，更在於證明了通過引入可以吸附極性分子的無機添加劑，確實可以實現對鋰氧電池性能的優化，考慮到有非常多的與沸石性質相近的無機添加劑，該研究開闢了提高鋰氧電池性能的另一條可行途徑。

來源：ACS的Applied Material & Interfaces

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