由鋰枝晶生長(zhǎng)和傳統(tǒng)電解液低Li⁺轉(zhuǎn)移數(shù)引起的濃差極化導(dǎo)致的高容量Li-O₂電池性能嚴(yán)重下降，阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用。

中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所張新波等將具有固定在全氟聚合物骨架上磺酸基的鋰化Nafion(LN)設(shè)計(jì)為可溶性鋰鹽，以制備二甲基亞砜(DMSO)基不易燃的聚電解質(zhì)溶液。

圖1 聚電解質(zhì)的設(shè)計(jì)原理示意圖

所得溶液可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)0.84的高Li⁺轉(zhuǎn)移數(shù)和與液體電解液相當(dāng)?shù)腖i⁺電導(dǎo)率(2.5?mS cm^-1)。LN的陰離子具有比溶劑低的LUMO能級(jí)和與LiO₂的強(qiáng)相互作用，可以產(chǎn)生富含LiF的SEI膜來(lái)保護(hù)鋰負(fù)極，并減少與LiO₂相關(guān)的寄生反應(yīng)。此外，這種新型聚電解質(zhì)溶液還具有阻燃性。受益于這些優(yōu)勢(shì)，作者成功實(shí)現(xiàn)了聚電解質(zhì)溶液在Li-O₂電池中的應(yīng)用。

圖2 SEI及循環(huán)后鋰金屬形貌

因此，在DMSO中加入LN的Li-O₂電池可以促進(jìn)溶液放電過(guò)程，其具有大的放電容量（9508?mAh?g^-1 at 200?mA?g^-1）和優(yōu)異的倍率性能。此外，該電池具有超低的充電過(guò)電勢(shì)（0.18?V）、第一次循環(huán)中的較高能量轉(zhuǎn)換效率（88.5?%）和出色的循環(huán)性能（在1000?mAh?g^-1的有限容量下循環(huán)225?次）。

此外，采用這種不易燃聚電解質(zhì)溶液制成的軟包鋰空氣電池呈現(xiàn)出高安全性，針刺和切角測(cè)試不會(huì)干擾電池為發(fā)光二極管(LED)、電風(fēng)扇、智能手表和智能手機(jī)供電，展現(xiàn)出極好的應(yīng)用前景。

圖3 安全性和為商用電子設(shè)備供電的能力

Soluble and Perfluorinated Polyelectrolyte for Safe and High-Performance Li?O2 Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202116635