近日，我校材料科学与技术学院张校刚教授课题组（以下简称“课题组”）在锂氧电池有机催化剂方面取得重要研究进展。相关研究成果《A Heavily Surface-Doped Polymer with theBifunctional Catalytic Mechanism in Li-O2 Batteries》以我校为第一单位发表在《Cell》子刊《iScience》，第一作者是我校材料科学与技术学院的博士研究生徐呈旸。
锂氧电池作为一种新型的电化学储能器件，因其极高的理论比容量（3500 Wh kg-1）受到科研人员的广泛关注。该储能体系采用金属锂为负极，具有超高的理论比容量（3862 mAh g-1）和最负的电位（-3.04 V vs. SHE）。正极为空气电极，氧气为活性物质，极大节省了电极质量，故锂氧电池的整体能量密度可以达到商业化锂离子电池的5-10倍，极具研究价值。
然而锂氧电池的实际综合性能如能量转换效率，循环寿命，倍率性能等方面距离实用化仍有较大差距。其关键问题在于放电产物Li2O2的绝缘性和锂负极的枝晶生长，造成充放电过程较大的电压极化和循环性能衰减。传统的无机催化剂如贵金属，过渡金属氧化物等，已被广泛研究用于催化放电产物Li2O2的分解，可降低充电过程的过电势，提高电池的能量效率。但无机催化剂不能有效保护碳基材料，避免中间产物超氧根离子（O2-）的亲核攻击，在碳电极表面仍然会生成碳酸锂（Li2CO3）导致放电容量衰减和充电过电势升高。虽然有机导电聚合物可均匀覆盖在碳纳米管纤维上，实现对碳材料的保护，有效降低表界面副反应，但由于本身导电性不佳，循环稳定性差的问题，无法有效催化产物过氧化锂（Li2O2）分解，降低充电过电势。
课题组通过利用功能化的掺杂离子对聚咔唑进行表面掺杂，实现了聚咔唑导电性和电化学稳定性的提升。本工作中功能化的掺杂离子包括两种，一种是氧化还原型的铁氰酸根离子（Fe(CN)63-）,一种是维持结构稳定性的磷酸根离子（PO43-）。课题组通过探究两种阴离子的不同比例对聚合物掺杂水平和半导体性能的影响，调节表面掺杂的聚咔唑的电化学性能，确定最佳的掺杂离子比例。采用电化学石英晶体微天平的方法，验证聚合物掺杂前后的离子传输过程，阐述聚合物P-N型转换机制。并利用M-S曲线和紫外可见光测试具体分析聚合物的载流子浓度，平带电位以及带隙等半导体性能。
最终，课题组通过将碳纳米管薄膜作为基底，通过电化学聚合的方法让咔唑单体沿着碳管纤维进行聚合生长，并首次采用恒电压掺杂去掺杂方法，制备出铁氰酸根和磷酸根离子共掺杂的碳纳米管聚咔唑复合物（CNT/PCz:FCN）。将这种材料作为锂氧电池的自支撑电极，充电电压降低到3.6V，在150圈充放电循环后，大部分充电电压保持在4.0V以下，实现了目前有机催化剂电极在锂氧电池中的最佳电化学性能。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.03.016