11月17日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬團(tuán)隊(duì)在國際著名期刊《自然·通訊》上發(fā)表題為“Breaking the capacity bottleneck of lithium-oxygen batteries through reconceptualizing transport and nucleation kinetics”的研究性工作。該工作通過調(diào)控動(dòng)力學(xué)之間的匹配程度，大幅提升了電池的實(shí)際放電容量，為實(shí)現(xiàn)高能量密度鋰空氣電池提供了理論指導(dǎo)。
 

　　鋰氧氣電池因其超高的理論能量密度，長期以來被認(rèn)為是未來能源存儲(chǔ)的革命性技術(shù)。盡管在高倍率性能和穩(wěn)定性方面取得了諸多進(jìn)展，但其實(shí)際容量仍遠(yuǎn)沒有達(dá)到理論值。容量受限的主要原因在于多孔正極內(nèi)由于固體放電產(chǎn)物的生成造成空間利用不足。由于鋰氧氣電池中存在復(fù)雜的相變、傳質(zhì)及法拉第反應(yīng)的耦合過程，加之對電極內(nèi)部精確表征的技術(shù)限制，為突破容量瓶頸帶來了巨大挑戰(zhàn)。
 

圖1 Li2O2成核-生長理論
 

　　解決上述問題的關(guān)鍵，在于建立放電產(chǎn)物過氧化鋰(Li2O2)微觀行為和電化學(xué)性能的內(nèi)在聯(lián)系。為了排除敏感項(xiàng)(如供體數(shù)、催化劑)對Li2O2行為的影響，所有研究在固定組件下進(jìn)行，并通過鋰離子濃度調(diào)節(jié)初始動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子濃度影響下的電化學(xué)性能(容量、初始電壓平臺(tái)、阻抗)趨勢并不符合離子電導(dǎo)率趨勢，且Li2O2行為不能完全被先前的成核理論解釋。
 

　　研究表明，Li2O2的成核-生長過程金屬鋰的沉積機(jī)制顯著不同，如圖1所示。在低鋰離子濃度(0.05-0.1 M)的電解液中，電極表面更多的氧吸附量誘發(fā)了初始放電階段較低的過電位，并形成高Li2O2核密度。這些高密度核進(jìn)一步生長為膜狀結(jié)構(gòu)，阻斷電子傳輸，導(dǎo)致放電后期電壓快速下降。而在高鋰離子濃度(0.5-2 M)的電解液中，較低的核密度促使Li2O2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(xué)模型，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究了Li2O2分布特性并追蹤其最大體積分?jǐn)?shù)的遷移過程。在0.5M電解液中，Li2O2顆粒呈現(xiàn)逆氧氣梯度分布，實(shí)現(xiàn)了最大放電容量。這一現(xiàn)象是高鋰離子電導(dǎo)率、顆粒狀產(chǎn)物和快速氧氣運(yùn)輸特性綜合作用的結(jié)果，標(biāo)志著成核與傳輸動(dòng)力學(xué)達(dá)到最佳平衡。然而，在更高濃度的電解液(0.5-2M)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。
 

圖2 結(jié)論驗(yàn)證與對電極設(shè)計(jì)啟發(fā)
 

　　在具有最佳動(dòng)力學(xué)兼容性的0.5M電解液中，靠近隔膜側(cè)傳輸通道的堵塞是導(dǎo)致電極失效的關(guān)鍵因素。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，通過改變電極局部結(jié)構(gòu)來調(diào)控電池性能，如圖2所示。結(jié)果表明，在隔膜側(cè)設(shè)計(jì)呼吸通道，其容量是將呼吸通道設(shè)置在氧氣入口側(cè)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。
 

　　該研究深化了對電極設(shè)計(jì)準(zhǔn)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。我校工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系博士研究生張卓君為第一作者，談鵬特任教授和肖旭博士后研究員為該論文的通訊作者。本工作得到國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、中國博士后基金以及中央高?；緲I(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。