多孔金属有机框架材料作为锂金属负极保护层助力长寿命锂氧气电池

作     者：于越 张新波 Yu Yue;Zhang Xinbo

作者机构：中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室长春130022 中国科学技术大学合肥230026 

出 版 物：《化学学报》 (Acta Chimica Sinica)

年 卷 期：2020年第78卷第12期

页      面：1434-1440页

核心收录：

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0703[理学-化学] 

基　　金：国家重点研发计划(No.2016YFB0100103) 中华人民共和国国防科技工业(No.JCKY2016130B010) 国家自然科学基金(Nos.21725103,21771013)资助 

主　　题：锂氧气电池 金属锂负极 金属有机框架材料 枝晶抑制 金属锂腐蚀 

摘      要：在众多能源储存系统中,锂氧气电池以其高达3500 Wh·kg^(-1)的理论能量密度有望在性能上超越商用锂离子电池.然而,在电池充放电过程中,金属锂不可控的枝晶生长和严重的腐蚀问题极大地阻碍了锂氧气电池的发展.为了解决以上问题,制备了一种具有高比表面积、丰富孔道结构的金属有机框架材料(MOF-801),并将其设计成金属锂负极的保护层应用在锂氧气电池中.在本工作中,成功合成了具有高达762.9 m2·g^(-1)比表面积,边长约为800 nm的立方体状纯净MOF-801材料.并且这种材料表现出对于有机电解液体系(四乙二醇二甲醚1 mol·L^(-1)三氟甲基磺酸锂)和强还原性的金属锂都具有很好的稳定性.得益于该材料丰富的孔道结构以及高比表面积,锂离子得以更均匀地分布在电极表面促进金属锂均匀沉积,有效避免了由于枝晶刺破隔膜而导致的短路甚至火灾事故.此外,MOF-801保护层本身的阻隔作用和材料捕捉水的特性可以帮助减少污染物质(水、氧气、强氧化性物质等)的穿梭效应带来的副反应,缓解锂氧气电池中金属锂负极的腐蚀情况.因此,将经过保护的金属锂组装成的对称电池进行测试,循环寿命长达800 h,同时充/放电过电势仅为0.023 V(未经保护的电池寿命仅为254 h,最终充/放电过电势高达5 V),且循环阻抗大大降低,证明了这种策略有效地稳定了金属锂/电解液界面.将经过MOF材料保护的电极实际应用在锂氧气电池中,在限容量1000 mAh·g^(-1),限电流500 mA·g^(-1)条件下,可以实现长达170圈的稳定长寿命的循环(是未经保护的电池寿命的2.88倍).使用MOF-801保护层的锂氧气电池还表现出了高达8935 mAh·g^(-1)的高比容量.因此,本工作所报道的保护层策略为未来的碱金属空气电池负极保护领域提供了新颖的视角.