中國科學技術大學揭示突破鋰氧氣電池容量瓶頸的關鍵因素

中國教育報-中國教育新聞網訊（記者 方夢宇）記者近日從中國科學技術大學獲悉，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。相關研究成果日前發(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空間利用率不足。其中，相變、傳質及法拉第反應的復雜耦合以及對電極內部精確表征的技術限制，為揭示正極過程、突破容量瓶頸帶來了巨大挑戰(zhàn)。

解決上述問題的關鍵是建立放電產物過氧化鋰微觀行為和電化學性能的內在聯(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節(jié)初始動力學狀態(tài)。

結果表明，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，電極表面產生高數量密度的過氧化鋰核，進一步生長為膜狀結構，阻斷電子傳輸，導致電壓快速下降；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鍵。

為了驗證這一結論，團隊在正極不同位置設計了氣體通道以加速局部傳輸速率，發(fā)現(xiàn)在正極深處設計氣體通道，其容量是將氣體通道設置在氧氣入口的2.5倍。由此可見，突破容量瓶頸的關鍵在于維持電極深處的物質傳輸，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計準則的理解，并為其他固體產物體系的金屬—氣體電池提供了參考路徑。