目前人们期待高能量密度电池技术具有更好的安全性、稳定性和可持续性。
近日，日本产业技术综合研究所周豪慎教授，乔羽报道了通过调整比容量，用石墨插层化合物取代锂金属负极，提出了一种基于低成本双碳电极结构的锂离子-氧电池概念样机。在负极方面，研究人员没有使用锂金属，而是在比容量、实用性、成本和安全性之间进行了适度的权衡，采用了典型的石墨作为负极。在正极方面，研究人员概述了碳纳米管（CNT）正极上的高容量O2/Li2O2氧化还原反应。原则上，Li+参与了石墨负极的脱/嵌过程和CNT正极上O2/Li2O2的氧化还原反应。然而，每个电极反应和候选电解质（典型的乙醚或传统的碳酸盐）之间的兼容性很差，阻碍了这种独特的双碳电池结构的实现。因此，这一设计策略的重点是合理调节/提高电解质的相容性。基于此，首次提出了一种不可燃的氟化醚电解质，它由在甲缩醛（DME）和1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙基（HFE）（1:3，v/v）的混合溶剂中的1 M双氟磺酰亚胺（LiFSI）组成。
文章要点
1）拉曼光谱分析结果表明，加入HFE稀释剂后，高配位离子对的溶剂化结构在高浓度电解质中得到了很好的继承。
2）电化学表征结果表明，完全消除石墨负极中的溶剂共插层，实现了高容量（以石墨质量计为272.1 mAh g−1）、长寿命（1年以上）和高容量保留率（88.1%）。此外，鉴于石墨负极的超高可逆性（平均CE超过99.93%），高放电深度（DOD）为80%和60%的Li+-O2纽扣电池分别具有150次和300次的较长循环寿命。
3）系统的光谱表征结果表明，在不依赖贵金属催化剂的情况下，O2/Li2O2在正极上发生了高度可逆的氧化还原反应。
4）利用与石墨负极和碳纳米管正极上O2/Li2O2氧化还原反应的电化学相容性，在工程方面，研究人员通过详细的参数，成功地制作了一种高能量密度的软包电池（302.52 W h kg−1，以整个袋的重量计）。
这种新颖的双碳电极设计不仅有利于规模化生产，而且显著降低了环境压力。此外，双碳电极的柔性有利于制造柔性软包电池，因此具有潜在的应用前景。
参考文献
Huijun Yang, et al, A Safe and Sustainable Lithium-Ion–Oxygen Battery based on a Low-Cost Dual-Carbon Electrodes Architecture, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202100827
