三明治结构石墨烯/Au颗粒/Au膜实现Li2O2可控生长及高性能锂氧电池

advs

载于泡沫镍上的石墨烯/Au纳米颗粒/Au纳米薄膜电极的结构和工作原理

以有机系为例,锂空电池(或锂氧电池)的理论能量密度超过3000 Wh/kg(基于Li2O2),实际可得能量密度超过500 Wh/kg(基于电池)。与此相对,锂离子电池的能量密度目前低于200 Wh/kg。因此,将锂空电池代替锂离子电池可显著增加电动汽车的续航里程。尽管如此,锂空电池目前面临巨大挑战。不同于锂离子电池的穿梭机理,锂空电池的工作基于Li2O2的沉积和分解。Li2O2的电子和离子导电率均极低,不溶于一般的有机电解质中,并且Li2O2(或其中间体LiO2)反应活性高,会和聚合物粘结剂及导电碳发生副反应,导致锂空电池的循环性能、倍率性能及能量效率不理想。如何通过优化催化电极的成分和结构,以改善锂空电池的性能,是目前锂空电池研究的热点和难点之一。

浙江大学材料学院赵新兵教授、谢健副教授课题组通过对催化电极的成分和结构的优化设计,来控制Li2O2的生长行为,从而实现了电池的长循环寿命。该课题组首选在泡沫镍基体上用CVD法生长三维石墨烯,再在冰浴条件下在三维石墨烯表面同时生长了Au薄膜和Au纳米颗粒,得到了石墨烯/Au纳米颗粒/Au纳米薄膜的三明治结构。该电极设计在避免使用粘结剂的同时,保证了电极具有稳定的结构。研究表明,Li2O2仅生长于Au纳米颗粒表明(见附图),该生长行为有效降低或延缓了电极的钝化,并减少了副反应的发生,实现了锂氧电池的长循环寿命。相关结果在线发表在Adv. Sci., 2016, 1500339。 相关工作得到了国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的资助。