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揭秘鋰氧電池充電慢的根本原因

清新電源 ? 來源:新威NEWARE ? 2023-06-27 09:17 ? 次閱讀

01

導(dǎo)讀

雖然鋰-空氣電池能夠提供高的能量密度,但在放電過程中形成的絕緣Li2O2阻礙了接下來的再充電過程。氧化還原介質(zhì)(RM)能夠促進(jìn)Li2O2氧化。低充電電壓下的快速動(dòng)力學(xué)對(duì)于實(shí)際應(yīng)用是十分必要的,但尚未實(shí)現(xiàn)。

02

成果簡(jiǎn)介

近日,Nature Chemistry上發(fā)表了一篇題為“Why charging Li–air batteries with current low-voltage mediators is slow and singlet oxygen does not explain degradation”的文章,該工作研究了RM氧化Li2O2的機(jī)理。結(jié)果表明限速步驟是Li2O2外層單電子氧化為L(zhǎng)iO2,遵循Marcus理論。第二步以LiO2歧化為主,主要形成三線態(tài)O2。單線態(tài)O2的產(chǎn)率取決于RM的氧化還原電位,而與電解質(zhì)降解無關(guān)。該機(jī)制解釋了為什么目前的低壓介質(zhì)(<+3.3 V)不能提供高的充電速率(最大速率在+3.74 V),并提出了重要的介質(zhì)設(shè)計(jì)策略,以在更接近Li2O2氧化熱力學(xué)電勢(shì)(+2.96 V)下提供足夠高的速率進(jìn)行快速充電。

03

關(guān)鍵創(chuàng)新

該文章研究了氧化還原介質(zhì)氧化Li2O2的機(jī)理。

04

核心內(nèi)容解讀

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1、a,在SECM設(shè)備中使用的UME示意圖(左),以及所用RM的分子結(jié)構(gòu)和ERM值(右)。b,繪制的RM的Li2O2SECM逼近曲線。c, 0.1 M LiTFSIin四乙二醇二甲醚中lnkeffERM變化Marcus曲線@Nature

Marcus理論解釋RM動(dòng)力學(xué)

為了研究Li-O2電池在充電過程中通過RM(式(1))氧化Li2O2的機(jī)理,使用具有不同氧化還原電位(ERM)的RM(從+3.2 V到+3.9 V)對(duì)該反應(yīng)的速率常數(shù)進(jìn)行了測(cè)量(圖1a)。

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因此,得到了整個(gè)反應(yīng)的有效速率常數(shù)(keff),該反應(yīng)將由速率決定步驟主導(dǎo)。掃描電化學(xué)顯微鏡(SECM)廣泛用于定量測(cè)量非均相電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)。在本工作中,SECM采用圖1a所示的裝置來測(cè)量氧化的氧化還原介質(zhì)RM+與Li2O2反應(yīng)的keff。這可以通過繪制逼近曲線來實(shí)現(xiàn),其中超微電極(UME)逐漸逼近Li2O2基底。RM在UME被氧化成RM+,然后與Li2O2基底反應(yīng),產(chǎn)生一個(gè)反饋回路,電流隨距離而變化。圖1b為所選RMs的反饋逼近曲線,其中在較低的UME-Li2O2距離下,較高的電流代表較高的keff。在Li2O2氧化的一系列步驟中(式(2)-(6)),keff與決速步驟的速率常數(shù)成正比。TMPD和DMPZ的keff值太低,無法通過SECM測(cè)量,因此使用壓力傳感的方法測(cè)量,其中Li2O2和RM+混合在氣密室中,測(cè)量O2演變導(dǎo)致的壓力變化。

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對(duì)于RM,將lnkeff數(shù)據(jù)繪制為ERM的函數(shù),得到如圖1c所示的火山狀圖。圖1c中的曲線形狀表明Marcus理論中電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)(ket)的表達(dá)式如式(7)所示。

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式中keff與ket成正比,ELi2O2為L(zhǎng)i2O2的氧化還原電位,Zel為指前常數(shù),λ為重組能,F(xiàn)為法拉第常數(shù),R為氣體常數(shù),T為溫度。λ在不同RM上的變化很小,因?yàn)樗鼈兊姆肿芋w積相似。將方程(7)擬合到圖1c的數(shù)據(jù)中,可以看出keff隨ERM的變化與Marcus理論預(yù)測(cè)的趨勢(shì)一致。這意味著速率決定步驟是一個(gè)單一的外電子轉(zhuǎn)移過程。

擬合值為:ELi2O2=+3.41 V,λ=0.322 eV, Zel=0.00495。Li2O2是由Li+配位的離散O22?分子組成的寬帶隙固體。可以通過改變電解質(zhì)環(huán)境來改變重組能(λ),其中含有四丁基銨(TBA+)鹽的乙二醇二甲醚溶劑比堿金屬鹽的λ更大,這是由于它們的介電常數(shù)差異導(dǎo)致。

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2、當(dāng)TBA+/Li+的總濃度保持不變時(shí),lnkeff(RM+Li2O2的反應(yīng))隨ERM的變化曲線。@Nature

圖2顯示了lnkeff隨各種電解質(zhì)成分ERM的變化,其中Li+越來越多地被TBA+取代,導(dǎo)致Marcus火山圖隨著TBA+濃度的增加而向右移動(dòng)。根據(jù)Marcus理論(方程(7)),火山的頂點(diǎn)(即最高氧化速率)發(fā)生在FΔE=λ處。因此,隨著λ的增加,火山向更正的ERM移動(dòng)。火山區(qū)域的擴(kuò)大也與λ的增加相一致。這些結(jié)果進(jìn)一步表明,RMs氧化Li2O2的動(dòng)力學(xué)可以用Li2O2向RM+的外單電子轉(zhuǎn)移來解釋。

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3.a,用于計(jì)算具有RM的鋰-空氣電池恒流充電的多孔正極模型示意圖。b、隨著氧化的進(jìn)行,顆粒尺寸減小。c,根據(jù)a中的正極模型,達(dá)到99.75%荷電狀態(tài)的ImaxERM的變化。d-f,預(yù)載Li2O2Li-O2正極恒流充電曲線,使用1 M LiTFSI in 四乙二醇二甲醚電解質(zhì),添加10 mM DMPZ(d),10 mM TMPD(e)和10 mM TEMPO(f),與在線質(zhì)譜儀相結(jié)合,用于檢測(cè)逸出。@Nature

熱力學(xué)上,對(duì)于電勢(shì)>+2.96的任何介質(zhì),Li2O2都可能被氧化。然而,這并沒有回答實(shí)際充電速率需要多少過電位的問題。接下來,使用如圖3a、b所示的鋰離子電池多孔正極模型,以及為每種介質(zhì)確定的keff和ERM,模擬恒流充電曲線,以確定電池的充電速率極限。圖3c顯示了不同RM實(shí)現(xiàn)99.75%充電狀態(tài)的最大充電速率(Imax)。RM在電極表面的氧化速率(ko,het)和RM在表面與Li2O2顆粒之間的傳質(zhì)速率很快,因此限制速率的步驟是Li2O2被RM+氧化的過程。圖3c的結(jié)果表明,在極化到+4 V之前,較低電壓的RM只能以較低的速率維持充電。例如,DMPZ和TMPD實(shí)現(xiàn)>99%充電容量的最大充電速率≤0.1?mA?cm?2。相比之下,對(duì)于MAZO或TEMPO等高電壓介質(zhì),可以在≥40 mA cm-2充電。

接下來,通過對(duì)連接到在線質(zhì)譜儀的Li-O2電池充電,定性驗(yàn)證了該模型的結(jié)果。圖3f顯示,含有TEMPO的電池可以充電并產(chǎn)生大量氧氣。相比之下,圖3d,e顯示,含有DMPZ或TMPD的電池只氧化RM,沒有檢測(cè)到任何氧氣釋放。對(duì)于后一種電池,雖然可以在電極表面直接氧化Li2O2,但電極是通過滴涂制備的,接觸不良,加上介質(zhì)動(dòng)力學(xué)緩慢,電極中Li2O2含量相對(duì)較少,O2的析出被抑制在+4 V以下。

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4.a,單線態(tài)氧的產(chǎn)率(1O2/(1O2+3O2)百分比)氧化還原電位(ERM)的變化,以及與LiO2歧化產(chǎn)率的比較(虛線)。b,TEMPO+Li2O2反應(yīng)容器頂部空間取樣的氣體產(chǎn)物(黑色的3O2和紅色的CO2)的在線質(zhì)譜檢測(cè)c、通過對(duì)TEMPO+Li2O2完全反應(yīng)的液體溶液取樣進(jìn)行HPLC分析@Nature

單線態(tài)氧的演化及反應(yīng)機(jī)理

Li2O2首先氧化生成LiO2(式(2))。然后,LiO2通過兩種途徑,即LiO2氧化(式(3)和(4)或LiO2歧化(式(5)和(6)),以三線態(tài)(3O2)或單線態(tài)(1O2)的形式變成O2??偟腖i2O2氧化反應(yīng)應(yīng)導(dǎo)致電荷/氧比例為e?/O2=2。然而,該值通常>2,這表明存在副反應(yīng)。這種副反應(yīng)歸因于電解質(zhì)溶液或碳正極受到反應(yīng)性O(shè)2的攻擊。之前的研究已經(jīng)證明充電電壓會(huì)影響1O2產(chǎn)率(即1O2/(1O2+3O2))。在這項(xiàng)研究之前,研究人員已經(jīng)探索了用RMs給鋰氧電池充電的O2產(chǎn)量。本工作通過將Li2O2與四烯胺中化學(xué)氧化的RM(RM+)混合來量化1O2產(chǎn)率,以了解RM+氧化在1O2產(chǎn)率中的作用。這個(gè)分析也使得能夠確定式(2)-(6)中哪一個(gè)步驟限制了Li2O2的整體氧化速率。結(jié)果如圖4所示。使用在線質(zhì)譜法測(cè)量3O2的量,而1O2的量通過將其捕獲在9,10-二甲基蒽(DMA)溶液中來測(cè)量,DMA是一種選擇性化學(xué)陷阱,可與1O2快速反應(yīng)形成DMA內(nèi)過氧化物(DMA-O2),然后使用高效液相色譜法(HPLC)定量(圖4c)。圖4a顯示了每種介質(zhì)的1O2產(chǎn)率隨ERM的變化。為了確定LiO2化學(xué)歧化直接產(chǎn)生1O2的產(chǎn)率,將超氧化鉀(KO2)與含有Li+和18-冠-6-醚的四乙二醇二甲醚溶液混合,通過式(5)和式(6)誘導(dǎo)LiO2自發(fā)歧化。1O2產(chǎn)率為0.23%,如圖4a中粉色虛線所示。圖4a顯示,對(duì)于ERM在3.2~3.5 V之間的RMs,1O2產(chǎn)率高于LiO2歧化產(chǎn)生的1O2產(chǎn)率,而對(duì)于ERM≥3.6 V的RMs,1O2產(chǎn)率是恒定的(與LiO2歧化的1O2產(chǎn)率一致),與電位無關(guān)。

由圖1可知,Li2O2氧化的決速步驟是第一或第二單電子氧化,即Li2O2→LiO2或LiO2→1O2或3O2。在圖4a中,LiO2歧化產(chǎn)生的多余1O2一定來源于第二電子轉(zhuǎn)移,即LiO2氧化生成1O2(式(4))。對(duì)比圖1中keff的變化趨勢(shì)(即Li2O2氧化過程中限速步驟的有效速率常數(shù))與圖4a中形成的1O2比例變化趨勢(shì),可以明顯看出,限速步驟不是RM++LiO2→RM+1O2+Li+,因?yàn)長(zhǎng)i2O2氧化最大速率(圖1)對(duì)應(yīng)的電位與圖4a中最高的1O2比例并不一致。事實(shí)上,在最大的keff下,僅通過歧化就可以形成1O2。根據(jù)類似的論點(diǎn),可以排除RM++LiO2→RM+3O2+Li+是決速步驟。因此,限速步驟是Li2O2的第一電子氧化:RM++Li2O2-RM+LiO2+Li+(式(2))。圖4a中O2的產(chǎn)率表明O2的主要產(chǎn)物是3O2,因此LiO2氧化或歧化的主要產(chǎn)物是3O2而不是1O2。圖4a還顯示,RM++LiO2→RM+1O2+Li+發(fā)生在3.2-3.5 V的ERM下,曲線的形狀表明,RM介導(dǎo)的LiO2氧化也可能遵循Marcus關(guān)系。基于這一假設(shè),可以預(yù)測(cè)3O2的能量比1O2低0.97 eV,即RM++LiO2→RM+3O2+Li+發(fā)生在<+2.96 V。這意味著在Li2O2被氧化的所有電位下,RM++LiO2→RM+3O2+Li+已經(jīng)反應(yīng)完畢。RM++LiO2→RM+1O2+Li+通過歧化途徑爭(zhēng)奪LiO2。隨著RM電位的增大,Li2O2氧化生成LiO2的速率加快,LiO2濃度升高,RM+濃度降低,有利于LiO2歧化。簡(jiǎn)而言之,參與RM++LiO2→RM+1O2+Li+反應(yīng)的LiO2和RM+的量不是一個(gè)常數(shù)。

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5.RM促進(jìn)Li2O2氧化反應(yīng)機(jī)理示意圖@Nature

總之,Li2O2氧化的限速步驟是Li2O2的外層單電子氧化生成LiO2(式(2)),第二步是LiO2歧化生成3O2(式(5))。總體機(jī)理如圖5所示。

05

成果啟示

本文對(duì)Li2O2氧化機(jī)制的理解解釋了為什么在低電勢(shì)(<+3.3 V)下工作的介質(zhì),具有的良好往返能量效率,卻不能提供足夠高的充電速率。最優(yōu)的RM是在低電勢(shì)下充電的RM(也就是說,剛好足以在+3 V左右的熱力學(xué)條件下驅(qū)動(dòng)反應(yīng)),并且具有快速的動(dòng)力學(xué)和最少的反應(yīng)性1O2形成。然而,在+3.7 V左右的ERM下才能獲得最高的速率??紤]到限速步驟遵循Marcus動(dòng)力學(xué),對(duì)于接近ELi2O2的低電壓RM,通過最小化重組能λ來降低活化能,有望實(shí)現(xiàn)快速的Li2O2氧化動(dòng)力學(xué)(keff)。計(jì)算模型表明,氧化還原電位為+3.4 V的RM可以實(shí)現(xiàn)1 mA?cm?2的充電速率。本文的分析表明,當(dāng)ERM約為+3.45 V時(shí),RMs的反應(yīng)性1O2生成量達(dá)到最大值,但當(dāng)ERM低于+3.2 V時(shí),1O2的生成量接近基線值(即通過歧化生成的量)。因此,低電壓RM也將使1O2生成量最小化。對(duì)于在產(chǎn)生1O2量最多的電位(約為+3.45 V)下工作的RMs,e-/O2比例接近2,這與在產(chǎn)生1O2量較少的電位下工作的RMs的e-/O2比例非常相似。此外,Li-O2電池充電過程中的降解和副反應(yīng)在3.6 V以上最為顯著,此時(shí)1O2釋放最低。這些結(jié)果表明,在充電過程中,1O2可能不是副反應(yīng)的主要來源。





審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:牛津大學(xué)Nat. Chem.:揭秘鋰氧電池充電慢的根本原因

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