Advanced Energy Materials:一种基于液体负极和金属有机框架隔膜的安全高效的锂离子有机氧气电池

随着人类社会对于能源环境问题的日益关注,构建绿色清洁社会的呼声日益提升。电池,作为清洁能源的一种储能器件,近年来被寄予了越来越大的期望。其中,基于金属氧化物正极和石墨负极的锂离子电池,自上世纪九十年代以来在移动电子设备领域取得了极大的成功。然而,受限于其本身电极材料特性的限制,其有限的能量密度在大型电动设备如电动汽车上的应用显得力不从心。因此,发展下一代高比能储能系统,是当下研究的一个热点。

锂氧气电池因其极高的理论能量密度,在下一代储能电池系统中受到很大关注。然而,其使用的金属锂负极,所具有的低利用率和枝晶生长等问题一直未能得到有效解决。为氧气正极寻找金属锂负极的替代成为一件迫切的事情。近日,一种基于联苯碱金属络合物的液态负极收到研究者的关注,其在钠离子电池和钾离子电池中的成功应用使我们期待其在锂基电池体系中的表现。另一方面,目前关于液态负极的研究,多采用固态电解质作为中间隔膜。然而,固态电解质自身的低离子电导、不易操作等缺陷,限制了其更多的应用。同时,目前的工作都忽视了对于液态负极和离子传导膜间的界面行为的研究,而这个界面对于液态负极的稳定工作具有重要意义。

近日,南京大学周豪慎课题组同日本产业技术综合研究所合作,设计并提出了一种基于液体负极和金属有机框架隔膜的锂离子有机氧气电池。该电池采用联苯锂络合物的醚类溶液作为液态负极,同时使用金属有机框架薄膜作为隔膜材料,以及双液相催化剂辅助的多孔碳氧气正极。得益于液态负极良好的离子导电性和电子导电性,以及金属有机框架所特有的腔体结构对于离子传输的调控优化,组装的有机氧气电池展现出优异的倍率性能和良好的循环稳定性。同时,通过对循环后金属有机框架隔膜的观察,研究者发现了一层形成于离子传导隔膜和液态负极之间的类固态电解质层。他们认为,该界面层对于液态负极的稳定循环具有重要意义,对其调控和优化将是未来液态负极研究的一个重要方向。

本文相关论文以“A Safe Organic Oxygen Battery Built with Li-Based Liquid Anode and MOFs Separator”为题发表在Wiley旗下期刊Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201903953)上。