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                硼酸用于保護鋰氧氣電池中的鋰負極

                硼酸作為一種SEI成膜添加劑用于保護鋰氧氣電池中的鋰負極


                        在目前研究的各種儲能體系中,鋰氧氣電池具有比較高的理論比能量(3458Wh/kg)相當于鋰離子電池的10倍。然而,緩慢的動力學反應,較高的過電位以及嚴重的副反應阻礙了鋰氧氣電池的商業化應用。近年來,大量的工作主要集中在正極結構的設計和機理的探索等方面;而鋰負極作為鋰氧氣電池的重要組分,具有較低的還原電勢以及較高的理論容量,是一種理想的負極材料,對電池的能量密度和循環壽命起到至關重要的作用。然而,在循環的過程中由于鋰的不均勻沉積與溶解,致使鋰枝晶的發生,并且大量的鋰相與電解液被消耗,造成庫倫效率的降低和循環壽命的縮短。此外,鋰氧氣電池這種半開放體系中,少量水和氧氣的存在會加劇鋰片的腐蝕。因此,如何有效的保護鋰氧氣電池中的鋰片免于被腐蝕,進而提高鋰的使用效率,是促進鋰氧氣電池發展的關鍵問題。


                       在鋰氧氣電池中,關于鋰負極的保護措施主要有:在鋰的表面涂覆一層氧化物,聚合物,或者固態電解質來隔絕水分對鋰的腐蝕,然而這些涂覆層具有較高的面載量以及不盡人意的保護效果。另一種方法就是尋找有效的電解液添加劑構建穩定的保護層,通過鋰片與電解液或添加劑反應,在鋰的表面原位生長一層固態電解質保護膜(SEI),該方法制備的保護膜具有較好的均勻性以及良好的保護效果。而目前所報道的添加劑主要有硝酸鋰,氟代碳酸乙烯酯等添加劑,這類添加劑所形成的保護膜在一定程度上可緩解鋰枝晶,但不能有效的阻擋水分以及氧氣或電解液對鋰的腐蝕。


                        鑒于此,華中科技大學材料科學與工程學院黃云輝教授和沈越副教授在材料領域國際頂級期刊《Advanced Materials》發表題為“Protecting Li metal anodein Li-O2 battery by using boric acid as an SEI-forming additive” 的論文。論文的第一作者為華中科技大學材料學院的博士生-黃志梅。該文采用一種弱酸(硼酸)作為電解液添加劑用于鋰氧氣電池中。由于硼酸易與一些羥基或含氧化合物形成較強的O-B-O或者B-O-B鍵,工業上也利用硼酸作為輔劑用于提高含羥基聚合物的機械性能和隔水性。而鋰金屬在循環的過程中,表面容易產生氧化鋰或者氫氧化鋰等含氧化物。在電解液中加入硼酸,能夠與氧化鋰或氫氧化鋰形成O-B-O或者B-O-B的共價鍵結構,所形成的SEI 膜具有一定的隔水性和導離子性,能很好的抑制鋰枝晶,并且阻擋水分,氧氣以及電解液對金屬鋰的腐蝕。


                       利用硼酸與鋰表面的氧化物或氫氧化物形成O-B-O或B-O-B共價鍵結構的特性,在鋰表面原位生長一層致密結構的SEI膜,該SEI膜主要由硼酸鋰,氟化鋰和碳酸鋰等納米顆粒分布于無定型的有機膜中構成,具有一定的隔水性和導離子性;此外,透射電鏡觀察可看出該SEI膜能夠以自支撐的形式存在于碳纖維的表面,具有一定的機械性能。所得SEI膜應用于鋰的對稱電池中,能夠穩定循環200多圈(0.25mA/cm2的電流密度,0.5mAh/cm2的容量)。用于鋰氧氣電池時,循環壽命是使用普通電解液電池的6倍左右。

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