中國儲能網(wǎng)訊：近日，改革網(wǎng)·江淮風(fēng)采從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系談鵬教授團隊在鋰氧氣電池取得重要進展，解決了鋰氧電池中電化學(xué)反應(yīng)與放電產(chǎn)物存儲之間的固有矛盾，顯著提升了傳質(zhì)特性和電化學(xué)性能。相關(guān)成果發(fā)表于能源領(lǐng)域著名期刊《焦耳》。
鋰氧氣電池因理論能量密度極高，被視為下一代高比能儲能技術(shù)的重要候選體系。但其在放電過程中生成的低導(dǎo)電性固體過氧化鋰在電極中不斷累積，不可避免地導(dǎo)致傳輸通道和反應(yīng)界面退化，阻礙氧氣、鋰離子和電子傳輸，進而限制電池反應(yīng)持續(xù)進行。因此，如何協(xié)調(diào)電化學(xué)反應(yīng)與過氧化鋰存儲之間的沖突，是提升電池性能的關(guān)鍵。
針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊提出功能區(qū)域化電極設(shè)計思路。通過調(diào)控鋰離子濃度分布，將氧單電子還原和過氧化鋰存儲分別錨定在電極的兩個區(qū)域；中間體超氧根和氧化還原介質(zhì)（RM）分別作為放電和充電過程中連接兩區(qū)域的橋梁，實現(xiàn)電子的持續(xù)交換以及過氧化鋰的定向存儲與分解。研究表明，約92.7%的過氧化鋰定向沉積在專門的存儲區(qū)，使得電化學(xué)反應(yīng)區(qū)能夠維持低阻力氧氣傳輸和高反應(yīng)活性，實現(xiàn)氧氣和RM的快速轉(zhuǎn)化。與此同時，產(chǎn)物存儲區(qū)為過氧化鋰沉積提供充足的附著位點，抑制其團聚，從而保持與RM較高的反應(yīng)接觸面積。
實驗結(jié)果表明，基于這一結(jié)構(gòu)設(shè)計，即使采用常規(guī)碳材料構(gòu)建電極，電池仍表現(xiàn)出優(yōu)異性能。在0.1 mA cm-2電流密度下，功能區(qū)域化結(jié)構(gòu)的全放電容量達到4.46 mAh cm-2，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高約60%；放電過電位低至0.2 V，并可穩(wěn)定循環(huán)368次。結(jié)合數(shù)學(xué)模型與可視化表征，研究團隊還進一步揭示了固體產(chǎn)物存儲區(qū)孔結(jié)構(gòu)對超氧根傳輸和過氧化鋰沉積行為的影響規(guī)律，為電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
為驗證該設(shè)計理念的普適性，研究團隊構(gòu)建了另一組不同材料配置的功能區(qū)域化電極體系。測試結(jié)果表明，新體系同樣實現(xiàn)了預(yù)期的反應(yīng)分區(qū)功能，并在放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性上表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。該策略還可與催化劑優(yōu)化相結(jié)合，根據(jù)性能需求對反應(yīng)區(qū)與存儲區(qū)開展獨立調(diào)控。功能區(qū)域化電極設(shè)計策略不僅為高性能鋰氧氣電池提供新的設(shè)計空間，也為其他伴隨固體產(chǎn)物演化的金屬-氣體電池體系提供了參考。
