成果简介
Li−O2电池（LOBs）作为一种具有诱人理论能量密度的全电池系统，其面临的挑战不仅是实际容量不足和正极侧的超氧化物寄生反应，还包括Li金属负极的稳定性。本文，厦门大学孙世刚院士/乔羽教授，中科院福建物构所Hongjun Yue等研究人员在《Nano Lett》期刊发表名为“Stabilizing Li–O2 Batteries with Multifunctional Fluorinated Graphene”的论文，研究将单一物种的氟化石墨烯（CFx, x = 1, F-Gr）直接添加到LOBs的乙醚电解液中，同时解决了LOBs的实际容量不足、O2−衍生的寄生反应和Li金属负极稳定性等相关问题。
研究发现，F-Gr可以加速O2−的转化，减少O2−的停留时间，从而提高放电容量和抑制O2−衍生的的副产物。F-Gr的引入可以在Li金属表面形成一层富氟贫氧的坚固SEI膜，有效地抑制了Li金属的退化，提高了LOBs的循环性能。该策略简单易行，因此，从科学和工程的角度来看，多功能F-Gr引入到LOBs中是提高其电化学性能的一种合适且可行的途径。
图文导读
图1、F-Gr的表征
图2. （a） GDL的XRD图谱在O2气氛下循环，没有（灰色痕迹）和F-Gr（蓝色痕迹），固定容量为3.5 mAh cm–2（0.1 mAh cm–2）。进行原始GDL（浅灰色痕迹）比较。放电产物的形态（0.1 mA cm–2，3.5 mAh cm–2）分别显示为（b）无F-Gr和（c）有F-Gr。
（d） 分别从放电阴极和分离器（不含/不含F-Gr）获得的紫外-可见光谱（固定放电容量为3.5 mAh cm–2）（e） 基于TiOSO4的紫外-可见光谱滴定校准曲线（在408 nm处对一定量Li2O2的吸光度系数）。
（f） 分别用VASP软件包计算含GDL和f-Gr的O2的吸收能。
（g） 从放电电池（0.1 mA cm–2，固定放电容量3.5 mAh cm–2）中提取D2O的阴极和分离器的1H NMR，无需冲洗。在此，氟苯内标物的峰面积在合理比较之前已归一化。因此，可以利用峰值强度来评估相应物种的相对含量。插图中展示了拟议的电解质分解反应方案。（h） 锂氧电池中引入F-Gr后的容量增强和副反应抑制机制示意图。
图3：（a） 在未引入/引入 F-Gr 的情况下，在 O 2饱和电解液中浸泡锂箔 16 天后获得的 XPS 光谱，未进行任何电化学循环。
在（b）0 nm、（c）5 nm和（d）20 nm范围内，给出了不同刻蚀深度下无/无F-Gr时相应的O 1s光谱。分别在（e）0.5 mA cm–2（1 h）和（F）0.5 mA cm–2（2h）条件下，比较无（灰色痕迹）和有F-Gr（蓝色痕迹）的O2气氛中的锂镀层/剥离稳定性。（g） 在O2环境下，不含/不含F-Gr（20次循环后，0.5 mA cm–2，1 h），从锂/锂对称电池中循环锂金属收集的XPS光谱。插入的柱状图中总结了F和O元素的原子比随无F-Gr和无F-Gr腐蚀深度的变化，以进行比较。不同刻蚀深度下F 1s的相应精细光谱显示在（h）0 nm、（i）5 nm和（j）20 nm处。
图4：（a） 在100至1000 mA g–1的不同电流密度下，无（灰色痕迹）和有F-Gr（蓝色痕迹）的锂氧电池的速率性能。
（b） 引入F-Gr（0.1 mA cm–2，5 h）的锂氧电池的典型恒电流充电/放电曲线。
（c） 无/有F-Gr的锂氧电池循环性能比较（0.1 mA cm–2，5 h）。插图显示了10次放电/充电循环后循环锂金属的SEM图像。值得注意的是，插入的SEM图像的尺度为100μm，可以合理地用来反映锂金属表面的整体情况。
（d） XPS调查比较收集自不含/不含F-Gr的Li–O2电池中循环的Li金属阳极（10次循环后，0.1 mA cm–2）。
（e）在0 nm、（F）5 nm和（g）20 nm处，在不同的蚀刻深度下，在没有/有F-Gr的情况下显示出精细的O1s光谱。原始XPS光谱强度没有受到过度干预，可以合理利用XPS光谱强度来评价物种相对含量。
（h） 从放电/充电锂氧电池（0.1 mA cm–2，0.5 mAh cm–2，10次循环）的循环阴极（包括分离器中的电解质）获取1H NMR波谱。副产品的具体数量可以通过使用氟苯作为内标物来量化。
（i） Li–O2电池中多功能F-Gr的示意图。
小结
总之，F-Gr 作为一种多功能物质最初被引入到非质子 LOB 中以实现优异的电化学性能。DFT理论计算表明，在LOB中的ORR过程中，O2-可以优先和有利地被F-Gr吸附，从而加速O2 -转化和减少O2 -停留时间。。这项工作为科学和工程方面的高性能LOB提供了一种可实现的方法。
文献：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01713
