蘭州化物所等鋰空氣電池正極研究取得進(jìn)展
鋰空氣電池因具有超高的理論能量密度而被認(rèn)為是電動汽車的潛在動力電源。鋰氧電池的放電產(chǎn)物過氧化鋰（Li2O2）具有絕緣、不溶的特性，因此，隨著放電的進(jìn)行，電極表面會逐漸被其鈍化而導(dǎo)致放電終止。大尺寸Li2O2的生成有助于延緩正極表面的鈍化、延長放電時間、提高電池容量。然而，大尺寸Li2O2在電極表面往往隨機(jī)散落，難以保證其與電極材料之間的有效接觸，從而限制了電池的倍率性能和能量效率。因此，亟需實(shí)現(xiàn)大尺寸Li2O2在電極材料中的嵌入式生長。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室研究員閻興斌課題組與羰基合成與選擇氧化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、吉林大學(xué)相關(guān)研究人員合作，通過匹配不同放電特征的金屬氧化物，設(shè)計了自支撐的碳紙-二氧化錳-四氧化三鈷（CP-MnO2-Co3O4）復(fù)合電極，研究了電極材料在放電過程中的協(xié)同放電機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了大尺寸放電產(chǎn)物的嵌入式生長。
研究人員首先研究了單一金屬氧化物的放電特征。研究發(fā)現(xiàn)，單晶α-MnO2納米棒放電時優(yōu)先吸附Li+，而且其主暴露面(020)和(110)對超氧化鋰（LiO2，放電中間產(chǎn)物）的吸附能十分相近，這可促進(jìn)Li2O2經(jīng)MnO2表面快速、均勻成核，并誘導(dǎo)顆粒狀Li2O2的生成；多晶的Co3O4納米片放電過程中優(yōu)先吸附O2，其不同晶面對LiO2吸附能相差較大，促使Li2O2經(jīng)Co3O4表面和電解液同時成核，并最終同時生成膜狀和片層放電產(chǎn)物。
基于以上研究結(jié)果，研究人員通過電化學(xué)沉積法將Co3O4納米片負(fù)載于α-MnO2納米棒陣列上，一方面顯著增加了Co3O4納米片陣列的沉積高度，提高了其比表面積，延長了放電時間；另一方面，放電時Li2O2可在α-MnO2表面優(yōu)先快速成核，使α-MnO2作為Li2O2的成核位點(diǎn)并誘導(dǎo)后續(xù)Li2O2的生長，達(dá)到Li2O2從復(fù)合電極內(nèi)部生長和延緩Co3O4表面鈍化的雙重效果。
該復(fù)合電極的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了α-MnO2和Co3O4電極材料在放電過程中的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了大尺寸Li2O2在電極框架中的嵌入式生長。與單金屬氧化物電極電池相比，使用該電極的電池展現(xiàn)出了更高的比容量（～100mA g-1時，比容量為4850mAh g-1，是同條件下α-MnO2和Co3O4電極的3倍以上）、倍率性能（600mAg-1時，比容量仍在3500mAhg-1以上）和更加優(yōu)異的循環(huán)性能（限定容量為1000mAhg-1時，可穩(wěn)定循環(huán)50次以上）。該研究工作近期在線發(fā)表在Advanced Science上。
以上工作得到了蘭州化物所“一三五”重點(diǎn)培育項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金的資助和支持。
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