離子液體改性聚（偏二氟乙烯）單離子導(dǎo)體隔膜保護(hù)鋰陽(yáng)極用于碘化物強(qiáng)化鋰氧電池反應(yīng)
第一作者：陳文翔，羅志虹
通訊作者：羅鯤*，任玉榮*
單位：常州大學(xué)，桂林理工大學(xué)
【研究背景】
鋰氧電池(LOBs)因其優(yōu)異的能量密度得到了廣泛的發(fā)展。但LOBs在實(shí)際應(yīng)用中面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)，包括過(guò)氧化鋰(Li2O2)分解動(dòng)力學(xué)緩慢、鋰負(fù)極消耗速度快、電解質(zhì)易分解以及環(huán)境和安全問(wèn)題。因此，只有兼顧電池正、負(fù)極反應(yīng)過(guò)程，才能有效提高LOBs的綜合性能。氧化還原中間體（RMs）作為可溶性催化劑，可以有效強(qiáng)化ORR和OER過(guò)程，降低充電過(guò)電位，防止超氧化物導(dǎo)致的電解液分解，但其容易與金屬鋰負(fù)極反應(yīng)。使用單鋰離子導(dǎo)體膜可將LOBs分為負(fù)極室和正極室，正極電解液中可以加入RM強(qiáng)化正極反應(yīng)，正負(fù)極之間通過(guò)傳導(dǎo)Li+聯(lián)通，形成電池的離子通路。由于離子選擇性，單離子導(dǎo)體膜可以有效阻隔有機(jī)分子、RM和RM+、水分、溶解氧和其他有害分子，并具有優(yōu)良的離子導(dǎo)電性，因此有效地保護(hù)負(fù)極鋰免受的腐蝕，并強(qiáng)化正極反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LOBs電池反應(yīng)的綜合強(qiáng)化。該膜還可望用于鋰硫電池等其他鋰金屬電池。
【文章簡(jiǎn)介】
近日，常州大學(xué)羅鯤教授課題組在Journal of Energy Storage上發(fā)表題為“Protecting
lithium anode with ionic liquid modified poly(vinylidene fluoride) single ion conducting separators for iodide-assisted lithium oxygen batteries”的研究論文。論文首先制備了離子液體(IL)改性聚偏二氟乙烯（PVDF）單離子導(dǎo)體膜，IL的修飾改變了膜的形貌結(jié)構(gòu)，提高了膜的導(dǎo)電性，但不會(huì)影響膜的離子選擇性。相比于無(wú)機(jī)單離子導(dǎo)體膜，離子液體改性PVDF隔膜具有成本低，不易碎裂韌性好、易于產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)LOBs實(shí)用化開(kāi)發(fā)顯得尤為重要。本文正極液中加入了LiI作為RM，強(qiáng)化正極反應(yīng)過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，改性PVDF膜可以有效隔離I-和I3-、水分、溶解氧和其他有害分子，并具有優(yōu)良的離子導(dǎo)電性，因此有效地保護(hù)負(fù)極鋰免受的腐蝕，優(yōu)化了鋰沉積/溶解過(guò)程，并強(qiáng)化了正極反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LOBs電池反應(yīng)的綜合強(qiáng)化，電池的循環(huán)壽命、倍率性能以及全放電容量均得到大幅度提高。
【本文要點(diǎn)】
(1) 利用IL（1-丁基-3-甲基-咪唑氯鹽）修飾PVDF成膜液，烘干成膜后去除IL，然后經(jīng)過(guò)堿化、接枝、磺化等過(guò)程制得IL改性PVDF單離子導(dǎo)體膜，制備過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低廉。IL改性后，PVDF膜的離子電導(dǎo)率從1.3 ×10-3 S cm-1提高到4.1 ×10-3 S cm-1。
(2) 著眼于LOBs的負(fù)極保護(hù)和正極過(guò)程強(qiáng)化，在正極液中加入RM（LiI）提高放電產(chǎn)物的分解能力。由于IL改性PVDF單離子導(dǎo)體膜可以有效隔離正極液中I-、I3-和其他有害物質(zhì)，保護(hù)鋰陽(yáng)極免受腐蝕，LOBs的性能顯著提升。與傳統(tǒng)玻璃纖維隔膜相比，在1.0 A g-1的電流密度下電池循環(huán)壽命從60個(gè)循環(huán)延長(zhǎng)到210個(gè)循環(huán)；在2.0、3.0和5.0 A g-1的電流密度下電池倍率性能從44、31和23個(gè)循環(huán)分別提高到152、129和107個(gè)循環(huán)；全放電容量也從3700 mAh g-1時(shí)增加到17000 mAh g-1。此外，還證實(shí)了正極液中不添加RM（LiI）時(shí)，使用改性PVDF膜對(duì)LOBs性能沒(méi)有顯著改善，表明兩者的協(xié)同作用對(duì)于LOBs性能優(yōu)化至關(guān)重要。
【文章鏈接】
“Protecting lithium anode with ionic liquid modified poly(vinylidene fluoride) single ion conducting separators for iodide-assisted lithium oxygen batteries”, Journal of Energy Storage, (2022).
doi: https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104580