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集美貌智慧于一身！中国最美女院士今日重磅《Nature》，解决世界难题！

2021-04-25 10:01:02 12 839

研究背景

我们知道，目前手机电脑等电子产品中的电池绝大多数都是锂离子电池，锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li⁺ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li⁺从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。2019年10月9日，瑞典皇家科学院宣布，将2019年诺贝尔化学奖授予约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和吉野彰，以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。

而今天要介绍的是锂空气电池，锂空气电池是一种用锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。放电过程：阳极的锂释放电子后成为锂阳离子（Li⁺），Li⁺穿过电解质材料，在阴极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂（Li₂O）或者过氧化锂（Li₂O₂），并留在阴极。

锂空气电池是现有电池系统中理论能量密度最高的电池，有望在下一代储能设备中占据突出地位。然而，仍然需要解决几个严重的挑战，涉及安全问题、电解质的分解和挥发、锂阳极的腐蚀和锂枝晶的形成，这些问题源于在常规锂空气电池中使用有机电解质(图1a)。为了应对这些挑战，开发固态锂空气电池(SSLAB)至关重要，它包含固体电解质作为关键组件。除了高离子电导率、对锂金属阳极的优异稳定性和良好的界面相容性之外，适用于固态实验室的固体电解质对空气成分应具有高稳定性，以便电池能够在环境空气中工作，并具有高抗氧化性，以防止氧还原中间体的腐蚀。然而，具有高离子电导率和良好安全特性的典型无机固体电解质——包括石榴石、钙钛矿、钠硅氧烷和硫化物——由于对锂金属和/或空气不稳定，目前不适合。此外，固体电解质的高电导率导致锂在电解质中成核，这在电池中产生短路。此外，低成本大规模生产固体电解质实验室仍然很困难，传统无机固体电解质的非弹性也限制了它们的应用。迄今为止，为固态实验室设计同时实现高环境适应性和优异电化学性能的固体电解质仍是一项挑战(图1a)。

研究成果

为解决这个世界难题，今日，吉林大学于吉红院士、徐吉静教授课题组介绍了一种集成的固态锂空气电池，它包含一个超薄的、高离子导电性的锂离子交换沸石X (LiX)膜作为唯一的固体电解质。使用原位组装策略，这种电解质与作为阳极的铸造锂和作为阴极的碳纳米管集成在一起。由于沸石固有的化学稳定性，有效地抑制了电解质因锂或空气的影响而退化。该电池的容量为每克碳纳米管12020毫安时，并且在500毫安/克的电流密度和1000毫安时/克的容量下具有149个循环的循环寿命。在相同条件下，该循环寿命大于基于磷酸铝锗锂(12个循环)和有机电解质(102个循环)的电池。基于沸石的锂-空气电池的电化学性能、柔性和稳定性赋予了实际应用性，可扩展到其他储能系统，如锂离子、钠-空气和钠离子电池。相关研究工作以“A highly stable and flexible zeolite electrolyte solid-state Li–air battery”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

这里简单介绍下作者，于吉红（1967年1月-），出生于辽宁省鞍山市，毕业于吉林大学，吉林大学教授，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，欧洲科学院外籍院士，吉林大学未来科学国际合作联合实验室主任，吉林大学化学学院无机合成与制备化学国家重点实验室教授。

她主要研究新型无机微孔晶体材料的合成、结构及性能，曾入选国家百千万人才工程人员名单，并先后获得“有突出贡献中青年专家”称号和国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）化学化工杰出女性奖。堪称“女神院士”！

图文速递

图1. 沸石固体电解质的示意图及表征

图2. 集成C-LiXZM电池的结构和可逆性

作者报告了一种高度稳定、集成、柔韧性的固态电解质实验室，采用锂离子交换X沸石(LiX)沸石膜(LiXZM)作为无机固体电解质(图1b)。LiXZM具有高离子电导率、低电子电导率和对空气和锂阳极组分的优异稳定性。此外，包含碳纳米管作为阴极的固态锂空气电池的集成结构有利于降低界面电阻。与含有有机电解质的传统锂空气电池相比，集成的固态锂空气电池在环境空气中表现出优异的性能。由于其理想的结构和优异的性能，含固体沸石电解质的锂空气电池有望在储能领域获得实际应用。

图3 含C-LiXZM电池的性能

图4 含C-LiXZM的SSLAB的安全性、稳定性和柔韧性

一般来说，固体电解质电池的电化学性能通常比含有有机电解质的常规锂空气电池差。然而，由于阳极的保护、放电产物的调节和副产物形成的抑制，具有C-LiXZM的集成SSLAB显示出比包含有机电解质的电池更好的循环性能。最初，使用透气性测试来评估空气成分从阴极侧穿过的阻力。对照组使用锂空气/氧气电池中的两种典型隔板(Celgard和玻璃纤维)。如图3a所示，Celgard (1410.37秒)和玻璃纤维(小于1秒)分离器的Gurley时间与LiXZM的Gurley时间不在同一数量级，后者远远超出了检测范围。这证明了LiXZM中空气渗透的超低动力学，这防止了阳极腐蚀。作者还与商业的电解质进行了对比，集成SSLAB具有高比容量、高稳定性、长循环寿命以及较好的机械柔性。

结论与展望

在这项研究中，作者通过材料选择和结构设计，开发了一种以LiX沸石膜为无机固体电解质的高度稳定、柔性、集成的固态锂空气电池。这种材料克服了传统固体电解质的缺点，包括不稳定性、界面相容性差和高电导率。该电池显示出高比容量以及在环境空气中的长循环寿命。由于其优异的电化学性能、安全性、柔性和环境适应性，有望应用于下一代储能系统。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03410-9

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