Small Structures:基于锂锡混合负极的线型柔性锂氧气电池

伴随着柔性折叠屏手机、智能手环、折叠鼠标、运动耳机等柔性可穿戴电子产品的迅速商业化,传统的刚性、低能量密度的二次电池已经难以满足人们的日常需求。因此,开发具有良好柔性能够反复弯折、且具有超高能量密度能够解决人们的续航焦虑的柔性二次储能电池,显得格外迫切。在众多新型二次储能电池中,锂氧气电池因其超高的理论能量密度和环境友好脱颖而出,有望成为继锂离子电池之后的广泛应用的下一代储能电池。

相比于柔性锂离子电池、柔性超级电容器等柔性储能器件,当前关于柔性锂氧气电池的研究还较少。除了受到柔性电极的结构设计、弯曲折叠过程中电池电化学性能的稳定性、电池安全性等因素的制约外,柔性锂氧气电池还受到负极材料纯金属锂的制约。纯金属锂因为其超高的理论能量密度和低电位在锂氧气电池中广泛使用,然而随着电池中锂离子的反复的剥离/沉积,负极表面容易生成锂枝晶,不仅会破坏负极表面的SEI膜并持续消耗锂金属和电解液,而且锂枝晶容易刺穿隔膜,引起内部短路,降低负极库伦效率减少循环寿命。此外,在柔性电池弯曲折叠时,容易造成电极材料和集流体分离,影响电化学性能,甚至导致短路,发生严重的安全问题。 长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室张新波课题组采用一种简便的方法,通过在熔融的负极金属锂中添加少量金属锡,得到了一种锂锡混合的金属负极,并对它的特性进行了详细的阐述。相比于纯金属锂负极,这种混合负极有效改善了金属锂负极与集流体之间的浸润性,解决了二者在多次弯折后分离的问题。通过原位光学显微镜,证实了锂锡混合负极能够减少金属锂枝晶的生长,使得负极的库伦效率和循环寿命得以提高。在锂氧气电池中,锂锡混合负极在不同电流密度下,均表现出高于纯金属锂负极的充放电容量,而且不影响正极放电产物过氧化锂的生成和分解。基于这种锂锡混合负极以及凝胶电解质、MnOOH负载的碳绳正极材料,该课题组组装了一种柔性线型锂氧气电池,表现出良好的循环稳定性,在放电电流密度500 mAg-1时,电池稳定循环247次。此外,这种柔性电池十分轻便灵活,即使在反复弯折上万次后,仍能稳定充放电循环,有望作为储能器件应用于可穿戴电子设备。该研究工作为金属负极保护和柔性可穿戴储能器件提供了新的研究思路。相关论文发表在Small Structures (DOI:10.1002/sstr.202000015)上