今日Science：>1000Wh/kg 复合固态电解质实现室温高性能锂空电池!

第一作者：Alireza Kondori

通讯作者：Larry A. Curtiss, Mohammad Asadi

通讯单位：美国阿贡国家实验室，伊利诺伊理工大学

【研究亮点】

基于锂氧化物(Li₂O)形成的锂空气电池理论上可以提供与汽油相当的能量密度。然而，在大多数系统中，反应途径涉及一个或两个电子转移，分别导致过氧化锂(Li₂O₂)或超氧化锂(LiO₂)的形成而不是Li₂O。本文作者发现了一种使用陶瓷-聚环氧乙烷基复合固态电解质的锂空气电池，发现它可以通过Li₂O的形成和分解进行四电子氧化还原反应。嵌入Li₁₀GeP₂S₁₂纳米颗粒的复合电解质通过四电子转移过程显示出高离子电导率以及高循环稳定性（1000次循环）。

【主要内容】

人们越来越有兴趣开发化学物质来取代目前主要基于插层原理工作的锂离子电池储能系统。一个研究领域是基于Li₂O₂形成的Li-O₂电池，这是Li⁺和O₂之间双电子反应的结果，或基于单电子反应形成的LiO₂。而基于氧化锂Li₂O形成和分解的Li-O₂电池在理论上可以提供更高的能量密度，因为它基于通过直接电子转移或间接通过歧化反应进行的四电子反应。与其对应物 LiO₂和Li₂O₂相比，Li₂O更难实现，因为它涉及在放电期间破坏O₂键并在充电期间重建O₂键。目前已有多项相关研究尝试从其他锂氧化物（如过氧化物或超氧化物）或硝酸盐熔盐可逆形成Li₂O，发现在Li-O₂电池中实现四电子Li₂O反应的一种方法是使用仅基于气相和固相的电池，通过避免界面电阻和O₂溶解度问题来促进快速反应动力学。这种实现Li-O₂电池四电子反应的方法需要开发一种稳定的固态电解质，该电解质具有良好的离子电导率，且可与正极良好结合。

鉴于此，美国伊利诺伊理工大学Mohammad Asadi教授，阿贡国家实验室Larry A. Curtiss研究员等人报告了使用Li₁₀GeP₂S₁₂纳米颗粒-聚环氧乙烷基复合固体电解质的锂空气电池，可以在室温下实现可逆的四电子Li₂O反应1000个循环，并在空气中以高速率和低极化间隙运行。这种复合电解质结合了有机和无机固态电解质的几个优点，它的电导率(0.52 mS cm⁻¹) 比没有纳米颗粒的固体电解质高10倍。研究人员使用这种固态电解质和先前报道的催化剂Mo₃P，在25°C下实现1000次可逆循环的四电子Li₂O反应。在最初的15分钟内观察到LiO₂和Li₂O₂的形成，之后Li₂O成为主要的放电产物。作者推测，最初形成的LiO₂/Li₂O₂界面在正极上是均匀的，这可以为进一步的电化学还原提供所需的混合电子/离子传导特性。达到稳态后，Li₂O₂在没有O₂气体的LiO₂下方被隔离，并与电子传导最有利的正极直接接触。这些条件允许Li₂O₂进行双电子还原成Li₂O。因此，结合两个双电子反应（O₂/Li₂O₂ 和 Li₂O₂/Li₂O）可产生非常理想的四电子锂-空气/O₂化学反应。本文结果证明可以构建基于固态电解质有利于四电子Li₂O反应的锂空气电池体系，并获得>1000 Wh/kg的预计比能量（体积能量密度为1000 Wh/L），这将提供远高于当前锂离子技术的电池能量密度。

Fig. 1 | Li₂O formation pathways.

Fig. 2 | Physicochemical and electrochemical characterization of the CPE.

Fig. 3 | Solid-state Li-air battery cell performance at a constant current density of 1 A/g and a limited capacity of 1 Ah/g.

Fig. 4 | Discharge product analysis.

Fig. 5 | Discharge reaction mechanism.

【文献信息】

Alireza Kondori, et al. A room temperature rechargeable Li₂O-based lithium-air battery enabled by a solid electrolyte. Science. 379, 499-505 (2023).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq1347

Dejian Dong and Yichun Lu. Working at room temperature. Science. 379, 436-437 (2023). 

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade2302