近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系談鵬教授團(tuán)隊(duì)在鋰氧氣電池取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出一種功能區(qū)域化電極設(shè)計(jì)策略，解決了鋰氧電池中電化學(xué)反應(yīng)與放電產(chǎn)物存儲(chǔ)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)成果以“Regulating Targeted Reactions via Functionally Regionalized Electrodes toward Lithium–Oxygen Batteries with High Reversibility”為題，發(fā)表于能源領(lǐng)域著名期刊《焦耳》（Joule）。
鋰氧氣電池因理論能量密度極高，被視為下一代高比能儲(chǔ)能技術(shù)的重要候選體系。然而，該體系仍面臨實(shí)際放電容量有限、循環(huán)穩(wěn)定性不足等挑戰(zhàn)。其核心問題在于，放電過程中生成的低導(dǎo)電性固體過氧化鋰（Li2O2）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(jìn)而限制電池反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。因此，如何協(xié)調(diào)電化學(xué)反應(yīng)與Li2O2存儲(chǔ)之間的沖突，是提升電池性能的關(guān)鍵。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出功能區(qū)域化電極設(shè)計(jì)思路（圖1）。通過調(diào)控鋰離子濃度分布，將氧單電子還原和Li2O2存儲(chǔ)分別錨定在電極的兩個(gè)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(shí)現(xiàn)電子的持續(xù)交換以及Li2O2的定向存儲(chǔ)與分解。研究表明，約92.7%的Li2O2定向沉積在專門的存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)氧氣和RM的快速轉(zhuǎn)化。與此同時(shí)，產(chǎn)物存儲(chǔ)區(qū)為Li2O2沉積提供充足的附著位點(diǎn)，抑制其團(tuán)聚，從而保持與RM較高的反應(yīng)接觸面積。
圖1 常規(guī)電極（a）與功能區(qū)域化電極（b）的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)原理示意圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dá)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（圖2）。結(jié)合數(shù)學(xué)模型與可視化表征，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步揭示了固體產(chǎn)物存儲(chǔ)區(qū)孔結(jié)構(gòu)對(duì)超氧根傳輸和Li2O2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)。
圖2 功能區(qū)域化電極的電化學(xué)性能
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)理念的普適性，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(shí)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(duì)反應(yīng)區(qū)與存儲(chǔ)區(qū)開展獨(dú)立調(diào)控。功能區(qū)域化電極設(shè)計(jì)策略不僅為高性能鋰氧氣電池提供新的設(shè)計(jì)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。
談鵬教授團(tuán)隊(duì)長期聚焦鋰氣體電池中的能質(zhì)耦合傳輸問題。團(tuán)隊(duì)基于可視化規(guī)則電極，觀測到Li2O2逆氧濃度生長的分布特征（Nano Lett.2022, 22, 7527-7534）；解析了微量水、氧和二氧化碳的協(xié)同傳輸機(jī)制，闡明了電池電壓不穩(wěn)定的原因（PNAS2022,120, e2217454120）；結(jié)合多物理場模型提出質(zhì)-電耦合傳輸機(jī)理（Adv. Energy Mater.2023, 13, 2302816），進(jìn)一步建立了鋰離子濃度對(duì)Li2O2成核動(dòng)力學(xué)、傳輸動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律，提出了基于鋰離子濃度調(diào)控的性能優(yōu)化思路（Nat. Commun.2024, 15, 9952）。
工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系張卓君博士后為該論文的第一作者，談鵬教授為通訊作者。本工作得到國家自然科學(xué)基金（52376080、524B2080）的資助。
電池網(wǎng)微信
