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Small:高性能透气柔性锂空气电池
出处:公众号【科学材料站】  录入日期:2021-09-26  点击数:2691

  文章信息:
  高性能透气柔性锂空气电池
  第一作者:Ahmad Jaradat
  通讯作者:Amin Salehi-khojin
  单位:伊利诺伊大学芝加哥分校

  柔性且重量轻的能量存储系统正在成为可用于健康监控和诊断,手机和笔记本电脑,物联网等多个领域的有前途的技术。在各种替代能源存储系统中,Li-O2 电池具有约3500 Wh kg -1的超高理论能量密度。然而大多数柔性 Li-O2电池的工作电流密度范围为 100-500 mA g -1,这与柔性电子产品的实际应用相去甚远。另外,由于与空气化合物反应而导致阳极退化,以及形成不可逆的副产物(例如氢氧化锂 (LiOH))而导致阴极堵塞、电解液的降解等,这些问题会对电池的往返效率产生负面影响,进而导致电池循环性能变差甚至失效。
  为了解决这些问题,在本研究中设计、制造并测试了一种廉价、灵活且可穿戴的 Li-O2电池,该电池基于 氧化还原介体(RM)InBr3的双功能氧化还原介质、MoS2阴极催化剂和基于Fomblin 的透氧膜。
  基于此,伊利诺伊大学芝加哥分校的Amin Salehi-khojin 教授在国际知名期刊 Small 上发表题为“High Performance Air Breathing Flexible Lithium–Air Battery” 的论文。
  本文报道的Li-O2电池在环境空气中运行,采用开放式系统架构,并在75%相对湿度, 1 A g-1的高电流密度下表现出高达240 次的出色循环性能。在弯曲疲劳试验中,电池的电化学性能包括深放电容量和倍率性能在 1000 次循环后几乎保持不变。
  文章要点:
  要点一:在氧气/干燥空气环境下运行的Li-O2柔性电池
  Li-O2柔性电池纯氧环境中的面电流密度和容量分别为0.1 mA cm-2和0.1 mAh cm-2,充电电压在 150 次循环后达到 4.04 V,在 370 次循环后达到 4.5 V。在干燥空气环境下,Li-O2柔性电池在第 10 次循环时,放电和充电电位分别为 2.8 V 和 3.8 V, 在 250 次循环后变为 2.5 V 和 4.5 V。与其他研究比较,本文的Li-O2柔性电池的电流密度和循环寿命都显着提高。

 

  柔性Li-O2电池在氧气和干燥空气中的示意图和电化学性能。a) 柔性 Li-O2电池示意图。b) 电池的多层结构。c) 氧气室中的放电/充电曲线。d,e) 干气室中不同电流密度和容量下的放电/充电曲线。f) 电池在氧气(蓝星)和干燥空气(红星)和其他(仅适用于 O2)中的电流密度与循环次数的比较。
  要点二:在环境空气中运行的Li-O2柔性电池
  Fomblin 包含高度灵活的 C -O -C 化学基团,可防止水分和其他气体的渗透,并促进氧分子的扩散。在 InBr3为 30×10-3  M的情况下,该电池还展示了在相对湿度为 75%环境空气中 240 次循环的长寿命,以及在环境空气中200 次循环后放电电压仍保持在 2.6 V 以上。
  为了研究氧化还原介体(RM) 和 Fomblin 保护层在周围空气环境中的作用。本文进行了两个对照实验。同时不使用Fomblin 层和 RM的电池,由于放电电压 (2.02 V) 下降,电池在 16 次循环后失效。
  只使用了 RM不使用 Fomblin的电池,第 110 次循环后放电电位下降到 2.5 V,充电电位增加到 3.93 V,电池在 120 次循环后失效。在同时使用Fomblin保护层和 RM 的情况下,电池最多可运行 240 次循环。进一步证实了利用 RM 和保护层的有效性。

 

  柔性Li-O2电池在环境空气中的电化学性能和形貌表征。a) 电池在环境空气中的放电/充电曲线。b) 在电流密度为 1 A g-1时,对比实验的充电和放电电压的循环稳定性。c) 环境空气中片状柔性 Li-O2电池的电流密度与循环次数的比较。d) 第 10 次放电和充电循环后阴极的拉曼光谱。e,f) 分别为在第 10 次放电和充电循环后阴极表面的 SEM 图像。
  要点三:Li-O2电池在环境空气中的元素分布和化学成分表征
  高分辨率 TEM 图像显示了放电阴极由结晶MoS2纳米薄片顶部的表面层组成。EELS 测量中获得的 Li K 和 O K 边缘,归因于 Li2O2。在第 10 次循环后对放电的阴极进行 XPS,Li 1s 和 O 1s 的峰进一步证实了Li2O2作为阴极表面的放电产物。在电池运行第 10 次循环后,在锂负极表面进行 XPS,表明在含有 In 和 Li-In 合金的阳极上形成了 SEI 层。

 

  Li-O2电池在环境空气中的元素分布和化学成分表征。a,b) 放电阴极的低分辨率和高分辨率 TEM 图像,显示了沉积在 MoS2阴极上的Li2O2 c) 第 10 次放电后阴极表面的 STEM 图像。d,e) Li2O2的EELS 光谱在第 10 次放电后的阴极表面d) O-K 边缘和 e) Li-K 边缘。f) 第 10 次放电后阴极的 XPS。g) 在环境空气中第 10 次循环后锂负极上 In 3d 区域的 XPS。h) 铟元素阳极的俯视SEM-EDX成分图。i) 未循环和循环后阳极表面的 EIS 测量和拟合数据。点代表实验数据,线代表拟合数据。
  要点四:电池在在柔性和可穿戴应用中的性能
  对本文的Li-O2电池在环境空气中进行了 1000 次疲劳弯曲试验, 在弯曲之前和之后获得了几乎相同的放电容量(56 Ah g-1)。当电流密度从 0.5 增加到 4 A g-1 时,充电电位从 3.40 V 变为 3.65 V ,表明我们的电解质混合物在降低电荷过电位方面的有效性。此外,1000 次弯曲循环后的电池显示出与弯曲前相同的倍率性能,表明该电池具有优异的抗疲劳性能。

 

  在环境空气中Li-O2电池的弯曲柔性测试。a) 柔性电池在不同弯曲条件下的开路电压测量和LED照明效果;(1,2) 扁平(0°弯曲)和 (3,4) 弯曲电池。b) Li-O2电池在环境空气中弯曲实验(疲劳测试)。c) 弯曲试验前后柔性电池在环境空气中的深度放电。d) 我们的电池在环境空气中的放电容量和电流密度与基于 2.5 V 截止电压的其他参考的比较。e) 在环境空气中不同电流密度下的充电/放电曲线。f) 弯曲试验前后的额定能力结果。
  文 章 链 接:
  High Performance Air Breathing Flexible Lithium–Air Battery

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