中國科學技術(shù)大學揭示突破鋰氧氣電池容量瓶頸的關(guān)鍵因素

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢宇）記者近日從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校特任教授談鵬團隊發(fā)現(xiàn)，通過改變鋰離子濃度，調(diào)控傳輸與成核動力學之間的匹配程度，可以顯著提升鋰氧氣電池的放電容量。該研究為實現(xiàn)高能量密度鋰空氣電池提供了理論指導(dǎo)。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《自然—通訊》。

近年來，研究人員在鋰氧氣電池的高倍率性能和穩(wěn)定性方面取得了諸多進展，但實際容量仍遠沒有達到理論值，主要原因在于多孔正極內(nèi)空間利用率不足。其中，相變、傳質(zhì)及法拉第反應(yīng)的復(fù)雜耦合以及對電極內(nèi)部精確表征的技術(shù)限制，為揭示正極過程、突破容量瓶頸帶來了巨大挑戰(zhàn)。

解決上述問題的關(guān)鍵是建立放電產(chǎn)物過氧化鋰微觀行為和電化學性能的內(nèi)在聯(lián)系。在此次研究中，為了排除溶劑、催化劑等因素對過氧化鋰行為的影響，研究人員通過改變鋰離子濃度調(diào)節(jié)初始動力學狀態(tài)。

結(jié)果表明，鋰離子濃度影響下的電化學性能變化趨勢并不符合離子電導(dǎo)率趨勢，且過氧化鋰行為也不能完全被先前的成核理論解釋。在0.05—0.1摩爾每升的低鋰離子濃度電解液中，電極表面產(chǎn)生高數(shù)量密度的過氧化鋰核，進一步生長為膜狀結(jié)構(gòu)，阻斷電子傳輸，導(dǎo)致電壓快速下降；而在0.5-2摩爾每升的高鋰離子濃度電解液中，較低的核密度促使過氧化鋰以分散顆粒的形式生長，從而有效保持了電極表面的氧氣和電子傳輸通道。

通過可視化電極和跨尺度數(shù)學模型，團隊進一步探究了過氧化鋰分布特性。在0.5摩爾每升電解液中，過氧化鋰顆粒呈現(xiàn)逆氧氣梯度分布，標志著成核與傳輸動力學達到最佳平衡，從而實現(xiàn)最大放電容量。在0.5—2摩爾每升電解液中，較高的粘度限制了氧氣傳輸距離，導(dǎo)致電極利用率和容量漸降低。在具有最佳動力學兼容性的0.5摩爾每升電解液中，正極深處的孔隙堵塞是其失效的關(guān)鍵。

為了驗證這一結(jié)論，團隊在正極不同位置設(shè)計了氣體通道以加速局部傳輸速率，發(fā)現(xiàn)在正極深處設(shè)計氣體通道，其容量是將氣體通道設(shè)置在氧氣入口的2.5倍。由此可見，突破容量瓶頸的關(guān)鍵在于維持電極深處的物質(zhì)傳輸，而非僅取決于加速氧氣傳輸。研究人員介紹，該研究深化了對電極設(shè)計準則的理解，并為其他固體產(chǎn)物體系的金屬—氣體電池提供了參考路徑。