中國粉體網(wǎng)訊  鋰金屬具有極高的理論比容量和金屬電極中最低的氧化還原電位，在鋰氧氣、鋰硫、固態(tài)鋰金屬電池等高比能儲能體系中得到了廣泛的研究。目前，在鋰金屬面臨的一些主要挑戰(zhàn)中，穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜（SEI）的生成以及無枝晶的鋰沉積在其中占據(jù)了主要地位。SEI膜的組分是決定鋰金屬負(fù)極穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。因此，需要合理控制有機(jī)-無機(jī)復(fù)合的SEI膜中的有機(jī)成分，以及研究SEI膜在與活性氧、多硫化物或氧化還原介質(zhì)相互作用下的結(jié)構(gòu)演變過程。鋰氧氣電池是現(xiàn)有鋰金屬電池體系中理論比容量最高的，研究SEI膜在氧化環(huán)境中的生長機(jī)制，獲得高能量利用效率、長循環(huán)壽命的鋰氧氣電池，具有重要意義。

　　以合理調(diào)控鋰氧氣電池負(fù)極SEI膜有機(jī)組分，解決可溶性催化劑（也稱作氧化還原電對或氧化還原媒介體，RMs）在鋰氧氣電池中發(fā)生穿梭效應(yīng)導(dǎo)致能量利用效率降低這一核心問題為目標(biāo)，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員張濤團(tuán)隊(duì)提出采用有機(jī)碘作為雙功能可溶性催化劑。有機(jī)碘通過還原性乙基脫離以及隨后的氧化過程在鋰金屬表面原位生成SEI膜，顯著提高了能量利用效率，改善了電池的循環(huán)性能。相關(guān)研究成果以Anode Interfacial Layer Formation via Reductive Ethyl Detaching of Organic Iodide in Lithium-Oxygen Batteries 為題發(fā)表在《自然-通訊》上（Nature Communications，2019，DOI: 10.1038/s41467-019-11544-8）。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士研究生張曉平，導(dǎo)師為張濤。

　　有機(jī)碘種類豐富，和有機(jī)基團(tuán)結(jié)合的碘既能夠以離子鍵形態(tài)存在，也能夠以共價鍵形態(tài)存在。在該工作中，通過和上海硅酸鹽所集成計算材料研究中心研究員孫宜陽在理論計算方面開展合作，篩選出三乙基碘代硫（TESI）作為雙功能可溶性催化劑。三乙基碘代硫的有機(jī)陽離子TES+ 在鋰金屬表面通過還原乙基脫離生成二乙基硫醚（DES），脫離的乙基自由基在氧氣存在條件下演化為CH₃CO₂Li。DES和CH₃CO₂Li作為SEI膜的主要有機(jī)組分，表現(xiàn)出了良好的柔韌性，并且與鋰金屬具有極好的親和性。由有機(jī)組分（DES、CH₃CO₂Li）以及無機(jī)組分（Li₂CO₃、Li₂O、 Li₂S）復(fù)合的SEI膜作為鋰離子導(dǎo)體和電子絕緣體，不僅能夠抑制可溶性催化劑的氧化態(tài)與鋰金屬反應(yīng)，而且能夠快速傳導(dǎo)鋰離子，顯著抑制鋰枝晶的生成，使得電池的能量利用效率和循環(huán)性能獲得了顯著提升。

　　近期，張濤團(tuán)隊(duì)在抑制鋰氧氣電池中可溶性催化劑的穿梭效應(yīng)方面的研究已取得系列進(jìn)展，如：提出一種新型的雙功能可溶性催化劑——碘代三甲基硅烷（TMSI）。在充放電過程中，一方面，TMSI可自釋放I- 離子形成氧化還原電對，降低充電過電勢；另一方面，其陽離子基團(tuán)TMS+可與鋰負(fù)極表面經(jīng)預(yù)處理形成的LiOH發(fā)生硅烷化反應(yīng)，原位形成穩(wěn)定的LiOSi(CH3)3保護(hù)層，有效抑制了I₃^-/I^-的穿梭效應(yīng)和循環(huán)過程中電解液對金屬鋰的腐蝕（J. Mater. Chem. A.，2019，DOI: 10.1039/c9ta04268g，封面熱點(diǎn)論文）。此外，在前期的工作中率先設(shè)計了可視化的鋰氧氣電池，觀察到可溶性催化劑氧化態(tài)在充電過程中向鋰金屬的擴(kuò)散，揭示了鋰氧氣電池中氧化還原電對的穿梭效應(yīng)。同時提出自我防御型氧化還原電對概念，采用InI₃作為可溶性催化劑，在鋰負(fù)極表面原位生成一層鋰-銦合金層，能夠顯著抑制可溶性催化劑氧化態(tài)I₃^-與鋰負(fù)極的反應(yīng)，提高了電池的能量利用效率和循環(huán)壽命（Energy Environ. Sci.，2016，9，1024-1030）。

　　相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院和上海市等的資助。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）

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