南京大學Haoshen Zhou教授研究團隊設計開發了一種穩定的、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，且電池穩定循環100余次后仍可獲得大于400 Wh/kg的能量密度，更為關鍵的是該電池鎳金屬的含量僅為1.59%(質量分數)，遠低于傳統的高鎳三元正極，成本更低更適于規模化生產，對電池產業和電動汽車發展具有重要推動作用。相關的研究表明，在Li金屬電池正極材料的設計過程中，不局限于傳統過渡金屬氧化還原提供容量，利用Li2O與Li2O2之間的可逆轉化，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活性物質質量)，一旦超過這一數值就會出現不可逆的氧氣析出。隨后控制充電深度不超過750 mAh/g，進行充放電循環測試，發現電池可以穩定可逆循環100余次，且能量密度高達950 Wh/kg(考慮到所有電極材料質量的前提下，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量后)，且電池穩定循環100余次后，輸出能量密度仍然高于400 Wh/kg，表現出優異的循環穩定性。
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，且具備良好循環穩定性，為設計開發高能量密度的鋰金屬電池開辟新思路。相關研究成果發表在《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
