中国科学技能大学揭示突破锂氧气电池容量瓶颈的关键因素

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科技 2024-12-6 04:01 722人浏览 0人回复

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中国教育报-中国教育消息网讯（记者方梦宇）记者克日从中国科学技能大学获悉，该校特任教授谈鹏团队发现，通过改变锂离子浓度，调控传输与成核动力学之间的匹配程度，可以明显提升锂氧气电池的放电容量。该研究为实

中国教育报-中国教育消息网讯（记者方梦宇）记者克日从中国科学技能大学获悉，该校特任教授谈鹏团队发现，通过改变锂离子浓度，调控传输与成核动力学之间的匹配程度，可以明显提升锂氧气电池的放电容量。该研究为实现高能量密度锂氛围电池提供了理论指导。相干研究成果日前发表于《自然—通讯》。

比年来，研究人员在锂氧气电池的高倍率性能和稳固性方面取得了诸多进展，但现实容量仍远没有到达理论值，主要原因在于多孔正极内空间使用率不足。其中，相变、传质及法拉第反应的复杂耦合以及对电极内部精确表征的技能限制，为揭示正极过程、突破容量瓶颈带来了巨大挑衅。

解决上述问题的关键是建立放电产物过氧化锂微观活动和电化学性能的内在联系。在此次研究中，为了排除溶剂、催化剂等因素对过氧化锂活动的影响，研究人员通过改变锂离子浓度调节初始动力学状态。

结果表明，锂离子浓度影响下的电化学性能变化趋势并不符合离子电导率趋势，且过氧化锂活动也不能完全被先前的成核理论解释。在0.05—0.1摩尔每升的低锂离子浓度电解液中，电极外貌产生高数量密度的过氧化锂核，进一步生长为膜状布局，阻断电子传输，导致电压快速降落；而在0.5-2摩尔每升的高锂离子浓度电解液中，较低的核密度促使过氧化锂以分散颗粒的形式生长，从而有用保持了电极外貌的氧气和电子传输通道。

通过可视化电极和跨标准数学模子，团队进一步探究了过氧化锂分布特性。在0.5摩尔每升电解液中，过氧化锂颗粒呈现逆氧气梯度分布，标志着成核与传输动力学到达最佳平衡，从而实现最大放电容量。在0.5—2摩尔每升电解液中，较高的粘度限制了氧气传输隔断，导致电极使用率和容量渐低沉。在具有最佳动力学兼容性的0.5摩尔每升电解液中，正极深处的孔隙堵塞是其失效的关键。

为了验证这一结论，团队在正极差别位置计划了气体通道以加快局部传输速率，发现在正极深处计划气体通道，其容量是将气体通道设置在氧气入口的2.5倍。由此可见，突破容量瓶颈的关键在于维持电极深处的物质传输，而非仅取决于加快氧气传输。研究人员先容，该研究深化了对电极计划准则的理解，并为其他固体产物体系的金属—气体电池提供了参考路径。

作者：方梦宇