中國儲能網(wǎng)訊：近日，改革網(wǎng)·江淮風采從中國科學技術大學獲悉，該校工程科學學院熱科學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反應與放電產(chǎn)物存儲之間的固有矛盾，顯著提升了傳質(zhì)特性和電化學性能。相關成果發(fā)表于能源領域著名期刊《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的重要候選體系。但其在放電過程中生成的低導電性固體過氧化鋰在電極中不斷累積，不可避免地導致傳輸通道和反應界面退化，阻礙氧氣、鋰離子和電子傳輸，進而限制電池反應持續(xù)進行。因此，如何協(xié)調(diào)電化學反應與過氧化鋰存儲之間的沖突，是提升電池性能的關鍵。
針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊提出功能區(qū)域化電極設計思路。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)，使得電化學反應區(qū)能夠維持低阻力氧氣傳輸和高反應活性，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較高的反應接觸面積。
實驗結(jié)果表明，基于這一結(jié)構(gòu)設計，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)了預期的反應分區(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)性能需求對反應區(qū)與存儲區(qū)開展獨立調(diào)控。功能區(qū)域化電極設計策略不僅為高性能鋰氧氣電池提供新的設計空間，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。
