卢怡君教授Joule揭示锂-氧电池溶剂可控析氧反应机理

nishiliu

前言：
2018年08月10日，Joule在线发表了香港中文大学卢怡君教授团队在锂-氧电池领域的突破性研究成果。该工作报道了锂-氧电池中颇受争议的充电中间产物−可溶性超氧化锂（LiO2）及过氧化锂（Li2O2）在不同电解液中的氧化分解机理。论文第一作者为：博士研究生王余，通讯作者为：卢怡君教授。

背景介绍：
      作为能源领域的一座圣杯，锂-氧电池具有超高的比容量。但是，较弱的循环性能一直是限制其发展的瓶颈。究其原因在于，锂-氧反应过程中包含了几个异常活泼的中间产物，如超氧化锂（LiO2）、单线态氧（1O2）等，它们极易与电解液和电极材料发生副反应，从而造成后续循环中容量迅速衰减。如何有效的控制这些中间产物是科学家们一直在攻克的难题。因此，基础理论的研究对于锂-氧电池的发展至关重要。在近十年的发展中，放电机理的研究已颇为成熟，而充电机理（Li2O2的分解）的研究仍处于初始阶段。尤其是，可溶性中间产物LiO2是否在充电过程中产生，一直是一个颇受争议的问题。目前，对于LiO2的产生仍处于理论假设阶段，尚没有明确的实验数据报导。这一问题极大的阻碍了锂-氧电池催化剂的设计和电解液的筛选等方面的发展。在这一研究背景下，本文突破性的报道了可溶性LiO2在充电过程中产生的电化学（旋转环盘电极）和光谱学（X射线吸收光谱）证据，并系统的研究了Li2O2在不同溶剂中的氧化分解机理。这一研究成果为锂-氧电池的材料设计提供了理论依据，并有望开辟锂-氧电池新的研究方向。

本文亮点：
   给电子能力强（high-donicity）的溶剂（如二甲亚砜，DMSO）可促使Li2O2在充电分解过程中产生可溶性中间产物LiO2，而给电子能力弱（low-donicity）的溶剂（如四乙二醇二甲醚，TEGDME）使Li2O2以锂离子脱嵌的方式分解。
全文小结：
1.  可溶性中间产物LiO2选择性的在给电子给能力强（high-donicity）的溶剂中产生。
2. LiO2的产生增加了电解液分解的几率，导致电池循环性能变差。倡导开发能减弱甚至避免LiO2产生的措施，如使用充电中介物（charge mediator）。
3. 超氧化物的产生会进一步促进高活性单线态氧的生成。因此，减少其产生或开发能够使其能够稳定存在的电解液是提高金属-氧（钠/钾-氧）电池性能的新方向。


作者介绍：
卢怡君（Yi-Chun Lu）教授，现任香港中文大学大学副教授，港科院青年院士。2012年于麻省理工学院（MIT）获博士学位，主要研究方向为：电化学储能机理、电极材料的可控设计和高效新能源体系的开发等。在Joule，EES，JACS，Nat. Commun.和Angew. Chem. Int. Ed.等国际一流期刊上发表论文40余篇，以第一作者或通讯作者身份发表论文31篇，SCI引用4800余次。
课题组链接：https://www.yclueeil.com/