Использование низкополярного (слабо сольватирующего) раствора электролита в стабилизирующих литий-воздушных батареях (Li-O2) в значительной степени ограничивает эксплуатационные характеристики батареи из-за образования продуктов на поверхности катода. Исследователи из Оксфордского университета добавили в раствор новый компонент и обнаружили, что это предотвращает образование отложений на поверхности катода. Добавленный компонент DBBQ (2,5-ди-трет-бутил-1,4-бензохинон), LiTFSI в эфире, привел к многообещающим улучшениям в решении, таким как более высокий запас энергии в батарее, а также повышенная скорость реакции.

Когда литий-воздушные аккумуляторы разряжаются, O2 на катоде восстанавливается до Li2O2 (пористого углеродного волокна, создающего пленку), которое может расти на поверхности катода. Если бы Li2O2 мог образовываться в растворе, а не на поверхности катода, это решило бы эту проблему. DBBQ, в частности, усиливает восстановление кислорода, а также может служить чем-то большим, чем просто электрокатализатором или переносчиком электронов. Добавление DBBQ создает механизм реакции, совершенно отличный от типичного механизма в Li-O2-элементе.

Реакция окисления-восстановления металлического лития и кислорода протекает через высокоэнергетический промежуточный продукт из оксида лития, LiO2, что требует высокого термодинамического перенапряжения; это снижает напряжение батареи. Он также растворим в полярных растворителях; это определяет, образуется ли Li2O2 в растворе или на поверхности катода.

Добавление DBBQ включает в себя совершенно другой механизм, который обходит промежуточный продукт LiO2. Вместо этого DBBQ восстанавливается на поверхности электрода с образованием комплекса литий-DBBQ. В присутствии DBBQ восстановление O2 происходит при том же потенциале восстановления для DBBQ, следовательно, при более высоком потенциале (более низком перенапряжении), чем восстановление O2 через промежуточный продукт LiO2; это происходит из-за образования промежуточного комплекса LiDBBQO2.

Промежуточный продукт LiDBBQO2 реагирует с другим комплексом LiDBBQ с образованием Li2O2 в растворе, что было подтверждено с помощью теста на титрование TiOSO4. Состав продукта из оксида лития был подтвержден с помощью порошковой рентгеновской дифракции, инфракрасной и рамановской спектроскопии, а также дифференциальной электрохимической масс-спектроскопии in situ, которая показала, что преимущественно образуется Li2O2. Исследования методом СЭМ подтвердили, что частицы Li2O2 образовались из раствора, а не на поверхности катода.

Добавление DBBQ к слабо сольватирующемуся электролиту приводит к совершенно иному механизму реакции, который включает восстановление O2 с помощью комплекса LiDBBQ. Этот механизм приводит к образованию раствора продукта Li2O2. Исключив промежуточный продукт LiO2, команда устранила источник катодных отложений и смогла увеличить емкость элемента в 80-100 раз. Их механизм приводит к более высокой плотности тока при одновременном снижении перенапряжения вдвое.

Это исследование дает важную информацию, которая поможет воплотить литий-воздушные аккумуляторы в практическую реальность.