當下全球電動汽車快速發(fā)展使得高能量密度的電池需求日益強烈。有鑒于此，世界主要發(fā)達國家，如美國、日本均設定了開發(fā)出能量密度高達500 Wh/kg的二次鋰電池發(fā)展目標。經(jīng)典的基于三元正極材料體系鋰電池的工作原理是基于過渡金屬（TM）相關(guān)的陽離子氧化還原反應，但受限于陽離子活性容量，該類電池容量難以達到500 Wh/kg，而氧元素有關(guān)的陰離子氧化還原活性則有望大幅提升電池能量密度，成為了目前二次電池體系研究的熱點前沿。
南京大學Haoshen Zhou教授研究團隊設計開發(fā)了一種穩(wěn)定的、大容量基于陰離子氧化還原活性的正極材料體系，應用于鋰金屬（Li）軟包全電池，通過氧化鋰（Li2O）與過氧化鋰（Li2O2）之間的可逆轉(zhuǎn)化，顯著提升了電池器件的性能，首次獲得了超越500 Wh/kg的能量密度，且電池穩(wěn)定循環(huán)100余次后仍可獲得大于400 Wh/kg的能量密度，更為關(guān)鍵的是該電池鎳金屬的含量僅為1.59%（質(zhì)量分數(shù)），遠低于傳統(tǒng)的高鎳三元正極，成本更低更適于規(guī)?；a(chǎn)，對電池產(chǎn)業(yè)和電動汽車發(fā)展具有重要推動作用。相關(guān)的研究表明，在Li金屬電池正極材料的設計過程中，不局限于傳統(tǒng)過渡金屬氧化還原提供容量，利用Li2O與Li2O2之間的可逆轉(zhuǎn)化，能夠為正極體系提供很高的能量密度。理論計算得知，Li2O/Li2O2轉(zhuǎn)化的理論能量密度高達2565 Wh/kg。為此研究人員利用濕化學法制備了Li2O基正極材料，同時為了提升無氧氣析出的“安全”充電深度，研究人員同時制備了匹配的鎳基碳合金導電催化框架（Ni-CAC）包覆Li2O形成Li2O@Ni-CAC電極體系，一方面有助于提升電池性能，另一方面有利于減少鎳金屬使用量降低成本。接著以Li2O@Ni-CAC和Li為正負極，醚類溶劑為電解質(zhì)組裝成完整的軟包電池，并開展電化學性能測試。原位氣相質(zhì)譜和拉曼光譜實驗顯示，在充電過程中存在明顯的Li2O向Li2O2的轉(zhuǎn)化過程，且Li2O@Ni-CAC電極體系的可逆“安全”充電深度為750 mAh/g（基于Li2O活性物質(zhì)質(zhì)量），一旦超過這一數(shù)值就會出現(xiàn)不可逆的氧氣析出。隨后控制充電深度不超過750 mAh/g，進行充放電循環(huán)測試，發(fā)現(xiàn)電池可以穩(wěn)定可逆循環(huán)100余次，且能量密度高達950 Wh/kg（考慮到所有電極材料質(zhì)量的前提下，但不包括軟包外殼）；而在計入軟包外殼后，電池依然獲得了超越500 Wh/kg的能量密度，達到了513.5 Wh/kg，這是目前文獻報道的能量密度最高的軟包電池（計入整個軟包電池質(zhì)量后），且電池穩(wěn)定循環(huán)100余次后，輸出能量密度仍然高于400 Wh/kg，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖 1 基于陰離子氧化還原活性正極材料體系鋰金屬（Li）軟包全電池及其性能表征
該項研究設計開發(fā)了一種基于陰離子氧化還原活性的正極材料體系軟包鋰電池，得益于Li2O與Li2O2之間的可逆轉(zhuǎn)化，電池器件的性能顯著提升，首次獲得了超越500 Wh/kg的能量密度，且具備良好循環(huán)穩(wěn)定性，為設計開發(fā)高能量密度的鋰金屬電池開辟新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Joule》[1]。
[1] Yu Qiao, Han Deng, Ping He, et al. A 500 Wh/kg Lithium-Metal Cell Based on Anionic Redox. Joule, 2020, DOI: 10.1016/j.joule.2020.05.012
