无机熔融盐电解质在锂空气电池的应用

研究背景

锂空气电池因其具有超高的理论能量密度（3505 W·h/g）而受到了广泛的关注与青睐，但是它同时也面临许多重大挑战，其中之一就是寻找一种电化学性质稳定的电解质。锂空气电池放电过程中产生的亲核中间产物（超氧自由基、LiO2）会与电解质或者正极材料发生不可逆反应，形成难溶、难分解的副产物（如HCO2Li、CH3CO2Li、Li2CO3等）堵塞正极多孔材料，阻碍氧气传输，使得电极材料利用率降低，最终电池寿命大大缩短。其次，锂空气电池中常用的电解质多为有机液体，极易燃烧，以致电池在工作过程中存在严重的安全隐患。

目前大多数有机电解液电化学性质不稳定，易分解形成多种副产物，影响电池的可逆性。例如，常用的碳酸酯类电解液易受超氧根自由基的***而分解。MIZUNO等通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和拉曼光谱（Raman）检测发现，以双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）/碳酸丙烯酯（PC）作电解液的锂空气电池的主要放电产物为Li2CO3和烷基碳酸锂[RO—(C==O)—OLi]，未检测到Li2O2的存在。稳定性优于碳酸酯类的醚类电解液也被证实在锂空气电池体系中电化学性质不稳定。BRUCE等通过FT-IR测试发现，醚类电解液如四氢呋喃（THF）、四乙二醇二甲醚（TEGDME）、1, 3-二氧环戊烷（DOL）、二甲醚（DME）等在循环过程中会发生分解形成CO2Li、CH3CO2Li、Li2CO3等副产物。耐亲核***的酰胺类电解液也被应用在锂空气电池中，CHEN等以0.1 mol/L LiClO4-二甲基甲酰胺（DMF）为电解液，并使用纳米多孔金作正极材料，研究结果发现碳酸盐副产物随着电池循环圈数的增加而出现。

创新点及解决的问题

采用双氟磺酰亚氨锂-双氟磺酰亚氨钾-双氟磺酰亚氨铯（LiFSA-KFSA-CsFSA）（LKC）三元无机熔融盐作为锂空气电池电解质。通过电化学阻抗谱（EIS）、燃烧实验和循环伏安法（CV）来考察LKC熔融盐的电化学性质与物理特性。此外，通过充放电测试并结合扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等表征手段来分析LKC熔融盐基锂空气电池的电化学性能。结果表明，LKC熔融盐具有高离子电导率，电化学性质稳定。LKC熔融盐电解质为无机物，不含碳元素，不会燃烧，同时避免了在电池的循环过程中由电解质分解导致副产物碳酸锂的生成。LKC熔融盐基锂空气电池在50 mA/g的电流密度下，电池首圈放电容量为4258 mA·h/g，充电平台为3.83 V，库仑效率约为95%，优于一般有机电解液基锂空气电池。

重点内容导读

1  实验材料和方法

1.1  实验材料

1.2  材料表征与测试

1.3  CsFSA盐的制备

1.4  LKC熔融盐电解质离子电导率测试

1.5  LKC熔融盐电解质的燃烧实验

1.6  LKC熔融盐电解质循环伏安法CV测试

1.7  锂空气电池的组装及电化学性能测试

2  实验结果与讨论

2.1  CsFSA表征结果分析

图1  CsFSA的拉曼光谱图

2.2  LKC熔融盐电解质的离子电导率

图2  LKC熔融盐温度-离子电导率曲线

2.3  LKC熔融盐电解质的燃烧实验

图3  浸润了（a）TEGDME、（b）DMSO、（c）LKC熔融盐的玻璃纤维隔膜的图片

2.4  LKC熔融盐电解质循环伏安法CV测试

图4  LKC三元熔融盐在55℃下的CV曲线

2.5  LKC熔融盐电解质基锂空气电池的电化学性能 

图5 （a）LKC熔融盐电解质基锂空气电池在不同电流密度下的放电曲线；（b）不同电解液的锂空气电池的首圈充放电曲线；（c）LKC熔融盐电解质基锂空气电池循环曲线

2.6  电池放电产物的表征与分析

图6  原始电极片的SEM形貌图（a）及XRD衍射谱（b）；首圈放电结束后电极片的SEM形貌图（c）及XRD衍射谱（d）；第五圈充电结束后电极片的SEM形貌图（e）及XRD衍射谱（f）

 结    论

LiFSA-KFSA-CsFSA三元熔融盐电解质具有高离子电导率，55 ℃下离子电导率高达0.262 S/cm，比常用的有机电解液高1～2个数量级。LKC熔融盐电解质为无机物、不含碳，不会产生因电解液分解而形成的副产物Li2CO3，避免了难溶、难分解的Li2CO3堵塞住正极材料的多孔结构，从而改善电池的可逆性。LKC熔融盐基锂空气电池，在50 mA/g的电流密度下，放电容量为4258 mA·h/g，首圈充电平台为3.83 V，库仑效率约为95%。另外，LKC熔融盐电解质不会燃烧，杜绝了锂空气电池中电解液在高纯氧工作环境下发生燃烧的安全隐患。

标签：电解液,LKC,空气,熔融,无机,电池,电解质
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