于吉红院士，今日Nature！
vivi
2021-04-23
1、采用原位组装策略，将电解液与锂作为负极，碳纳米管作为正极集成在一起。由于沸石固有的化学稳定性，有效地抑制了电解液因锂或空气的作用而退化。2、该电池的容量为12020 mAh g−1碳纳米管，在电流密度为500 mA g−1和容量为1000 mAh g−1的情况下，循环寿命为149次。在相同条件下，这种循环寿命比基于锂铝锗磷酸盐(12次)和有机电解质(102次)的电池更长。3、沸石基锂-空气电池的电化学性能、柔韧性和稳定性赋予了其实际的适用性，可扩展到其他能量存储系统，如锂离子电池、钠-空气电池和钠离子电池。固态锂(Li)-空气电池被认为可以用于解决下一代能量存储的技术中液体电池系统遇到的安全性和电化学稳定性问题。然而，由于传统的固体电解质对锂金属或空气的不稳定性，以及构建低阻界面的困难，因此不适合用于固态锂-空气电池系统。锂-空气电池在现有电池系统中具有最高的理论能量密度，有望在下一代能量存储设备中发挥突出作用。然而，一些关于安全问题的严重挑战仍然需要解决，电解液的分解和挥发、锂负极的腐蚀和锂枝晶的形成。传统的固体电解质对锂金属或空气的不稳定性，以及构建低阻界面困难，因此不适合用于固态锂-空气电池系统。为了解决这些挑战，有必要开发一种固态锂空气电池(SSLAB)，该电池的关键部件为固体电解质。除了具有高的离子电导率、对金属锂负极的优越稳定性和良好的界面相容性外，适合SSLABs使用的固体电解质应对空气成分具有高稳定性，使电池能在环境空气中工作，具有高抗氧化性，同时可以防止氧还原中间体的腐蚀。然而，由于典型的具有高离子导电性和良好安全性能的无机固体电解质对锂金属或空气的不稳定性，目前不适合该电池系统。此外，固体电解质的高电导率导致锂在电解质内部成核，从而在电池中产生短路。低成本大规模生产SSLABs仍然困难，而常规无机固体电解质的非柔性也限制了其应用。到目前为止，为SSLABs设计一种同时具有高环境适应性和优越电化学性能的固体电解质仍然是一个挑战。有鉴于此，吉林大学的徐吉静教授和于吉红院士等开发了一种以锂离子交换沸石X (LiX)沸石膜(LiXZM)为无机固体电解质的高度稳定、可集成和柔性的固态锂-空气电池。1）沸石是一类重要的无机结晶微孔材料，在化学工业中广泛应用，对空气组分具有高稳定性的沸石满足固体电解质在固态锂空气电池中的基本要求。LiXZM具有高的离子电导率、低的电子电导率，对空气和锂负极的组分具有优异的稳定性。2）以碳纳米管为正极的锂-空气电池整体结构有利于降低界面电阻。与含有机电解质的传统锂电池相比，集成的固态锂-空气电池在环境空气中表现出更加优越的性能。由于其良好的结构和优异的性能，含有固体沸石电解质的锂空气电池有望在储能领域得到广泛的应用。1）新型固态锂-空气电池设计：通过材料和结构合理设计，以LiX沸石膜作为无机固体电解质，开发了一种高度稳定、灵活、高集成的固态锂-空气电池。2）高容量高稳定性：该材料克服了传统固体电解质不稳定、界面相容性差和电导率高的缺点，在环境空气中具有高容量和高速率能力和长循环寿命。3）适用性广泛：由于它们的电化学性能、安全性、柔韧性和环境适应性，这些系统有望成为下一代能源存储系统。研究中制备了Si/Al比接近1.0的锂离子交换单晶来表征该沸石的固有离子电导率。在水溶液中进行离子交换过程后，材料的晶体结构保持良好，证明了LiXZM对水的高稳定性。值得注意的是，LiXZM在常温条件下保存一年后，XRD图谱没有变化，这表明它与常规无机固体电解质相比具有较高的稳定性，这种优越的稳定性对于锂-空气电池来说至关重要。与LiX沸石颗粒(LiXZP)相比较，LiXZM具有更高的离子电导率(2.7x10−4 S cm−1，而LiXZP仅为3.3 x 10−9 S cm−1)。值得注意的是，LiXZM具有良好的电子绝缘性，在25°C - 500°C时，其稳定的电导率约为1.5 x 10−10 S cm−1，有效地防止了Li枝晶在固体电解质内的成核和生长。除此之外，LiXZM具有较好的机械耐久性，可以有效地防止Li枝晶的形成及其后续的负面影响。合理地构造固体LiXZM电解质与正极之间的界面，可以克服传统无机固体电解质电池中存在的过度接触阻抗。首先采用化学气相沉积法在不锈钢网上原位生长氮掺杂碳纳米管作为正极（CNT-SS）。然后将CNT-SS的一侧进行亲水性处理，涂上NaX沸石晶种浆，经水热处理形成NaXZM。最后经过锂离子交换，得到完整的正极-固体电解质结构(C-LiXZM)。值得注意的是，CNT-SS的亲水侧有利于沸石晶种的扩散，而疏水侧则是与空气接触的正极，为放电产物(Li2O2)提供了充分的保护，使其不受水侵蚀。这两种表面都对离子液体电解质表现出良好的亲和力，有利于锂离子进一步向正极迁移，也有利于Li2O2的保护。
该电池的容量为12020 mAh g−1碳纳米管。在电流密度为500 mA g−1和容量为1000 mAh g−1的情况下，循环寿命为149次。在相同条件下，这种循环寿命比基于锂铝锗磷酸盐(12次)和有机电解质(102次)的电池更长。沸石基锂-空气电池的电化学性能、灵活性和稳定性赋予了其实际的适用性，可扩展到其他能量存储系统，如锂离子电池、钠-空气电池和钠离子电池。图4. 使用C-LiXZM的SSLAB的安全性、稳定性和柔韧性。
Chi, X., Li, M., Di, J. et al. A highly stable and flexible zeolite electrolyte solid-state Li–air battery. Nature 592, 551–557 (2021).DOI: 10.1038/s41586-021-03410-9https://doi.org/10.1038/s41586-021-03410-9
