Small Methods: 锂氧电池放电产物的缺陷化学

近年来,锂离子电池作为重要的储能方式之一,被广泛应用于人们的生产生活中。然而受限于其较小的能量密度,锂离子电池虽然可以用于便携式电子设备,但是在大耗电量的应用方面,化石燃料仍然不能被完全取代。 因此,有着大比容量的锂氧电池受到了人们的关注。由于锂在其放电产物中所占的质量比大以及反应物氧气不储存在电池内等诸多因素,锂氧电池的能量密度理论可以达到近3500 Wh kg−1,是锂离子电池的十余倍,也是目前含锂电池的最高值。

尽管如此,由于许多问题的限制,尤其是过高的充电过电位,锂氧电池仍未实现商业化的应用。其中常见的放电产物Li2O2作为宽禁带半导体,其低导电性严重限制了锂氧电池的性能。Li2O2在放电过程中沉积在阴极表面形成绝缘层,这是造成锂氧电池高充电过电位的重要原因之一,并加剧了锂氧电池中的副反应从而降低了电池的稳定性与循环寿命。因此,提高放电产物的导电性以降低充电过电位一直是锂氧电池相关研究的一个重点。诸多实验及计算结果表明,Li2O2的内部缺陷影响其晶格结构,并进一步改变其能带结构和多数载流子类型及密度,从而改善放电产物的导电性并降低过电位。由此可见,对缺陷态生成的调控将是解决Li2O2导电性问题的关键之一。

近日,新加坡国立大学(National University of Singapore)陈伟课题组与南京大学彭路明课题组受邀于Small Methods,发表综述系统地总结了主要放电产物Li2O2中缺陷化学的研究进展及其对电池性能的影响。文章首先从理论计算方面概括了缺陷态Li2O2中不同种类缺陷(如原子空位、 表面、晶界)对其电子和离子传导机制的影响;然后从中间态缺陷方面(如锂空位)总结了锂氧电池的充放电机理;文章还重点总结了锂空位,异质原子掺杂,表面/晶界以及非晶态四种缺陷的生成机理及调控手段,突出了缺陷在提高Li2O2导电性问题上的重要作用,并指出缺陷态Li2O2更容易在低电位下分解,从而缓解了高电位下所发生的副反应, 提高了电池的循环性能;最后文章对以LiO2, LiOH和Li2CO3为主要放电产物的新型锂氧电池也进行了归纳总结。

该综述论文以“Defect Chemistry in Discharge Products of Li-O2 Batteries”为题发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201800358) 上。

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