中國科學技術大學在鋰氧電池傳輸機理研究中取得新進展

　　近日，中國科學技術大學工程科學學院熱科學和能源工程系特任教授談鵬團隊設計了一種具有高度有序陣列結構的碳包覆陽極氧化鋁(C-AAO)空氣電極，重新認識了鋰氧電池的放電電壓突降行為和固體產(chǎn)物過氧化鋰生長路徑。相關成果以“Reacquainting the Sudden-Death and Reaction Routes of Li-O2Batteries by Ex-Situ Observation of Li2O2Distribution Inside a Highly Ordered Air Electrode”為題發(fā)表在《納米快報》(Nano Letters)上。

　　非水系鋰氧(Li-O2)電池由于其高能量密度而成為一種有前景的先進電池技術。與鋰離子電池不同，Li-O2電池以固體過氧化鋰(Li2O2)為放電產(chǎn)物，其生成與分解對電池的性能有重要影響。目前，對Li2O2形貌和晶型的觀測和表征大多集中在空氣電極表面，Li2O2在空氣電極內部的形貌和分布規(guī)律鮮有報道，主要問題包括在空氣電極內部，Li2O2形貌和尺寸的變化趨勢是怎樣的?其影響因素是什么?多孔電極內部堵塞所帶來的活性物質(O2和Li+)傳輸阻力是否會導致電池放電電壓突降?與電極鈍化相比，誰占據(jù)主導地位?

　　研究團隊設計的C-AAO電極可以被輕易折斷，而不會破壞其中的產(chǎn)物分布，實現(xiàn)了全電極范圍的Li2O2觀測。觀測結果表明，小電流下，通道直徑會限制環(huán)形Li2O2生長，造成電極堵塞。其次，存在一個臨界電流密度(It)逆轉了環(huán)形Li2O2的分布和尺寸。結合電化學阻抗譜表明，電壓突降行為是電荷轉移阻抗和濃差極化的耦合結果。小電流放電時，放電終止與高電荷轉移阻抗和電極堵塞導致的濃差極化有關;大電流放電時，歸因于快速電化學反應導致的嚴重濃差極化。

　　此外，研究團隊詳細分析了Li2O2在C-AAO電極端面和內部的生長模型，以揭示反應機理。研究發(fā)現(xiàn)，端面上的Li2O2以環(huán)形為主，具體總結為：(i)“環(huán)抱”壁面，形成不完整的環(huán);(ii)“躺”在電極上橫向生長;(iii)在其他Li2O2表面成核生長。在電極內部，隨著電流密度增加，環(huán)形Li2O2更容易被絮狀Li2O2覆蓋，表明環(huán)形Li2O2并非在通道中間歧化產(chǎn)生，而是沿電極表面生長。因此，僅用單一的歧化反應解釋環(huán)形Li2O2依賴電極的行為是不合適的。研究團隊提出在Li2O2成核早期，顆粒底部(電極/Li2O2界面)受表面路徑控制，這是由于電極表面的高LiO2濃度和電子轉移的可能性。隨后，溶液中的LiO2在Li2O2顆粒雛形周圍歧化，覆蓋了發(fā)生表面路線的區(qū)域，最終形成一個不完整的環(huán)。

　　以上研究為進一步揭示鋰氧電池的工作機理和電極設計提供參考。我校工程科學學院熱科學和能源工程系特任教授談鵬為該論文的通訊作者，博士研究生張卓君為第一作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家創(chuàng)新人才計劃青年項目、中科院人才項目和唐仲英基金會仲英青年學者項目的支持。

　　論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c02516