Li-O2电池放电产物Li2O2由于在有机溶剂中溶解度较差，会堵塞气体通道，这是Li-O2电池面临的一个主要挑战。在本工作中，我们选择12-冠-4做为添加剂捕获Li+，来研究其对氧电极放电产物溶解性的影响，并采用了多种电化学表征方法，包括循环伏安法和旋转圆盘电极等。结果显示，仅仅添加5%的12-冠-4就能明显提高氧还原产物$\text{O}_{2}^{-}$的稳定性，并减少固体Li2O2的生成。结合软硬酸碱和第一性原理计算对上述实验结果进行了解释。 One of the major challenges with Li-O2 batteries is that the discharge product, Li2O2, blocks the gas pathway because of its poor solubility in aprotic solvents. In this work, 12-crown-4 ether was used as an additive to capture Li+, and its influence on the solubility of the discharge products of the oxygen electrode was investigated. Multiple electrochemical methods, including cyclic voltammetry and rotating-ring disk electrode, were used. The results show that the addition of only 5% of 12-crown-4 ether significantly improves the stability of the oxygen reduction product $\text{O}_{2}^{-}$, and decreases the formation of solid Li2O2. We used a combination of the hard-soft-acid-base theory and ab initio calculations to explain these observations
References
[1]
2 Girishkumar G. ; McCloskey B. ; Luntz A. C. ; Swanson S. ; Wilcke W. J. Phys. Chem. C 2010, 1 (2193)
[2]
3 Wang Y. G. ; Zhou H. S. J. Power Sources 2010, 195, 358. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.06.109
[3]
4 Ogasawara T. ; Debart A. ; Holzapfel M. ; Novak P. ; Bruce P. G. J. Am. Chem. Soc 2006, 128, 1390. doi: 10.1021/ja056811q
[4]
5 Leskes M. ; Drewett N. E. ; Hardwick L. J. ; Bruce P. G. ; Goward G. R. ; Grey C. P. Angew. Chem. Int. Edit 2012, 51, 8560. doi: 10.1002/anie.201202183
[5]
6 Choi N. ; Chen Z. H. ; Freunberger S. A. ; Ji X. L. ; Sun Y. ; Amine K. ; Yushin G. ; Nazar L. F. ; Cho J. ; Bruce P. G. Angew. Chem. Int. Edit 2012, 51, 9994. doi: 10.1002/anie.201201429
[6]
8 Wang Z. L. ; Xu D. ; Xu J. J. ; Zhang L. L. ; Zhang X. B. Adv. Funct. Mater 2012, 22, 3699. doi: 10.1002/adfm.v22.17
[7]
10 Park M. ; Sun H. ; Lee H. ; Lee J. ; Cho J. Adv. Funct. Mater 2012, 2, 780.
[8]
11 Cao R. G. ; Lee J. ; Liu M. L. ; Cho J. Adv. Funct. Mater 2012, 2, 816.
[9]
13 Lim H. ; Park K. ; Song H. ; Jang E. Y. ; Gwon H. ; Kim J. ; Kim Y. H. ; Lima M. D. ; Robles R. O. ; Lepró X. ; Baughman R. H. ; Kang K. Adv. Mater 2013, 25, 1348. doi: 10.1002/adma.v25.9
[10]
14 Shao Y. Y. ; Park S. ; Xiao J. ; Zhang J. G. ; Wang Y. ; Liu J. ACS Catal 2012, 2, 844. doi: 10.1021/cs300036v
[11]
17 Ren X. D. ; Wu Y. Y. J. Am. Chem. Soc 2013, 135, 2923. doi: 10.1021/ja312059q
[12]
18 Hartmann P. ; Bender C. L. ; Vracar M. ; Dürr A. K. ; Garsuch A. ; Janek J. ; Adelhelm P. Nat. Mater 2013, 12, 228.
[13]
19 Li C. M. ; Fontaine O. ; Freunberger S. A. ; Johnson L. ; Grugeon S. ; Laruelle S. ; Bruce P. G. ; Armand M. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 3393.
[14]
20 Laoire C. ; Mukerjee S. ; Plichta E. J. ; Hendrickson M. A. ; Abraham K. M. J. Electrochem. Soc 2011, 158, A302.
[15]
25 Shanmukaraj D. ; Grugeon S. ; Gachot G. ; Laruelle S. ; Mathiron D. ; Tarascon J. M. ; Armand M. J. Am. Chem. Soc 2010, 132, 3055. doi: 10.1021/ja9093814
[16]
29 Laoire C. O. ; Mukerjee S. ; Abraham K. M. ; Plichta E. J. ; Hendrickson M. A. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 9178. doi: 10.1021/jp102019y
[17]
33 Albery J. W. ; Hitchman L. M. ; Ulstrup J. Trans. Faraday Soc 1968, 64, 2831. doi: 10.1039/tf9686402831
[18]
35 Pearson G. R. J. Am. Chem. Soc 1963, 85, 3533. doi: 10.1021/ja00905a001
[19]
36 Freunberger S. A. ; Chen Y. H. ; Drewett N. E. ; Hardwick L. J. ; Bardé F. ; Bruce P. G. Angew. Chem. Int. Edit 2011, 50, 8609. doi: 10.1002/anie.201102357
[20]
27 Lopez N. ; Graham D. J. ; McGuire R. ; J r. ; Alliger G. E. ; Yang S. H. ; Cummins C. C. ; Nocera D. G. Science 2012, 335, 3243.
[21]
28 Schmidt M. W. ; Baldridge K. K. ; Boatz J. A. ; Elbert S. T. ; Gordon M. S. ; Jensen J. H. ; Koseki S. ; Matsunaga N. ; Nguyen K. A. ; Su S. J. ; Windus T. L. ; Dupuis M. J. Comput. Chem 1993, 14, 1347.
[22]
32 Herranz, J.; Garsuch, A.; Gasteiger, H. A. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 19084.
[23]
34 Bard J. ; Faulkner L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals & Applications, 2nd ed., Wiley: Hoboken 2001, p 669.
[24]
1 Abraham K. M. ; Jiang Z. J. Electrochem. Soc 1996, 143, 1. doi: 10.1149/1.1836378
9 Shao, Y. Y.; Ding, F.; Xiao, J.; Zhang, J.; Xu, W.; Park, S.; Zhang, J. G.; Wang, Y.; Liu, J. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 987. doi: 10.1002/adfm.v23.8
[27]
12 Oh S. H. ; Nazar L. F. Adv. Funct. Mater 2012, 2, 903.
[28]
15 Schaetz A. ; Zeltner M. ; Stark W. J. ACS Catal 2012, 2, 1267. doi: 10.1021/cs300014k
[29]
16 Bruce P. G. ; Freunberger S. A. ; Hardwick L. J. ; Tarascon J. M. Nat. Mater 2011, 11, 19. doi: 10.1038/nmat3191
[30]
21 Aetukuri N. B. ; McCloskey B. D. ; García J. M. ; Krupp L. E. ; Viswanathan V. ; Luntz A. C. Nat. Chem 2015, 7, 50.
[31]
22 Liu T. ; Leskes M. ; Yu W. J. ; Moore A. J. ; Zhou L. N. ; Bayley P. M. ; Kim G. ; Grey C. P. Science 2015, 350, 530. doi: 10.1126/science.aac7730
[32]
23 Li L. F. ; Lee H. S. ; Li H. ; Yang X. Q. ; Huang X. J. Electrochem. Commun 2009, 11, 2296. doi: 10.1016/j.elecom.2009.10.015
[33]
24 Zheng D. ; Lee H. S. ; Yang X. Q. ; Qu D. Electrochem. Commun 2013, 28, 17. doi: 10.1016/j.elecom.2012.12.003
[34]
26 Xie B. ; Lee H. S. ; Li H. ; Yang X. Q. ; McBreen J. ; Chen L. Q. Electrochem. Commun 2008, 10, 1195. doi: 10.1016/j.elecom.2008.05.043
[35]
30 Trahan M. J. ; Mukerjee S. ; Plichta E. J. ; Hendrickson M. A. ; Abrahama K. M. J. Electrochem. Soc 2013, 160, A259.
[36]
31 Allen C. J. ; Hwang J. ; Kautz R. ; Mukerjee S. ; Plichta E. J. ; Hendrickson M. A. ; Abraham K. M. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 20755. doi: 10.1021/jp306718v
[37]
37 Peng Z. Q. ; Freunberger S. A. ; Hardwick L. J. ; Chen Y. H. ; Giordani V. ; Bardé F. ; Novák P. ; Graham D. ; Tarascon J. M. ; Bruce P. G. Angew. Chem. Int. Edit 2011, 50, 6351. doi: 10.1002/anie.201100879
