【能源】水系电解液助力更长寿命的Li-O2电池 – 全球药品引进、药品注册、营销、国际医药贸易服务

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在寻求可持续发展和低碳经济的道路中，清洁能源的作用愈发显著，因而可再生能源的转化与存储技术在近年来取得了较大的发展。以锂离子电池为主的储能器件目前还难以完全满足高能量和功率密度、高安全性、高寿命等方面的要求。随着近年来电动汽车的兴起，对高续航能力的需求使人们认识到现有电池技术的不足。研究新的能量存储机制来替代传统的锂离子电池技术将是人类迈向能源领域的必经之路。

相比于传统的锂离子电池，非质子型Li-O₂电池具有高于锂离子电池5-10倍的理论能量密度（3600 Wh/kg）。基于特色的“呼吸”型工作方式和极高的储能能力，非质子型Li-O₂电池被誉为电动汽车乃至整个储能领域的有力接班人之一。然而，经过近二十年的研究，人们认识到非质子型Li-O₂电池中涉及复杂的含氧化合物转化过程，并伴随着严重的副反应。研究表明，通过对传统的碳正极材料进行保护或采用新型非碳材料取代传统碳材料的方式可以实现电池正极的稳定工作。然而，电解液的稳定性问题却一直无法得到有效的解决。其根本原因在于，非质子型Li-O₂电池在循环和深度放电过程中会产生高反应活性的含氧中间体，在多种降解机制的作用下，电解液中的有机溶剂分子逐渐分解并产生严重的固态副产物聚积，从而引发循环性能和能量效率的显著降低，导致无法实现真正的产业化应用。

【能源】水系电解液助力更长寿命的Li-O2电池

图1. 有机非质子型电解液的降解途径

鉴于此，美国波士顿学院的王敦伟研究团队将一种完全不含有机溶剂分子的新型水系电解液“water-in-salt”应用于Li-O₂电池，并保持传统非质子型Li-O₂电池的工作原理，成功满足了Li-O₂电池对稳定电解液的迫切需求。传统非质子型Li-O₂电池的工作原理基于充放电过程中过氧化锂与氧气之间的可逆转化，这种转化造就了其高能量密度的特性。然而，由于过氧化锂遇水即分解，使传统的Li-O₂电池均依赖于有机非质子型电解液，进而保证在电池的工作过程中过氧化锂得以有效的生成与分解。“Water-in-salt”电解液是由LiTFSI电解质溶解于少量的水中而配置成的超高浓度水溶液，最先由马里兰大学的王春生团队及美国陆军研究实验室的许康团队共同提出，并先后应用于锂离子电池和Li-ion/S电池。王敦伟团队利用其不含有任何有机溶剂分子的特性，大胆将此种水系电解液应用于Li-O₂电池体系。通过一系列定性与定量的产物表征手段，该团队发现传统Li-O₂电池在非质子型电解液中的工作原理得以在“water-in-salt”水系电解液中极好地保持，即使在水分子的存在下，过氧化锂仍可高度可逆地在电池循环过程中形成和分解。由于该电解液完全不含有不稳定的有机溶剂分子，前文所提到的电解液降解途径均得以有效拦截。当同样使用碳正极材料时，该团队发现“water-in-salt”电解液相比传统的有机非质子型电解液可以提供更高的电池可逆性。该团队进一步结合以往的研究成果，通过钌催化剂修饰的TiSi₂纳米网作为正极材料取代不稳定的碳正极材料，配合同样稳定的“water-in-salt”电解液，Li-O₂电池在1000 mAh/g的大可逆容量下取得了高达300次以上的循环次数。

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图2. “water-in-salt”电解液助力更长寿命的Li-O₂电池

尽管发展更高效的电极材料仍需进一步研究，该成果为解决Li-O₂电池中电解液稳定性的瓶颈问题提供了全新的思路，并填补了非质子型Li-O₂电池中稳定电解液体系的空白。与此同时，鉴于Li-O₂电池领域在前期研究中时常受限于电解液降解导致副产物聚积而引起的“假象”，该稳定电解液体系的发现为Li-O₂电池的进一步发展提供了理想的研究平台。这一成果近期发表在Chem 上，文章的第一作者是波士顿学院的博士研究生董麒。