近日，中國科學技術大學工程科學學院特任教授談鵬團隊在《先進能源材料》期刊上發表論文，相關研究工作將提升對于鋰氧氣電池多孔電極中伴隨微觀結構變化的電化學與傳質耦合機理的科學認識，為新一代電極設計提供指導。
鋰氧氣電池因極高的理論能量密度而具有極大的發展潛力。過氧化鋰作為固體放電產物，一方面堵塞電極孔隙，阻礙低濃度氧氣在多孔電極中擴散；另一方面，鈍化電極表面，造成電子轉移受阻。然而，明確電池失效的根本原因仍具有挑戰性。受限于表征技術和均質模型，目前對于多孔電極內部電化學和傳質耦合機理還缺乏定量認識。
為排除孔連通和分布不均勻性造成的干擾，研究團隊設計并構建一種傳輸通道陣列排布且定向可控的多孔電極，允許活性物定向傳輸。因此，通道單元的活性物質傳輸路徑、通量，電化學反應界面和產物儲存空間都可以定量。針對通道單元，構建了非均質的三維瞬態模型，以反映整個電極中電勢場和濃度場的時空分布細節。
聯合實驗和仿真結果表明，多孔電極的傳輸通道尺寸達到臨界值（r1和r2，r2> r1）時，將影響鋰氧氣電池的工作機制：當通道單元內徑低于r1時，氧氣傳輸作為電化學性能的主要控制因素，其耗盡導致了低放電容量。當內徑處于r1和r2之間時，電子傳輸的影響逐漸顯著，粒徑分布發生逆轉；氧氣側的局部響應電流受電子傳輸限制，隔膜側的局部響應電流受氧氣傳輸限制。當內徑超過r2，放電結束時，全電極范圍的膜狀過氧化鋰沉積至極限厚度，電池失效歸因于電子轉移能力喪失。
此外，該項工作首次定量分析了超氧根的分布和擴散特性。在過氧化鋰膜未沉積到極限厚度時，超氧根遵循氧氣分布特點，從氧氣側擴散到隔膜側。當氧氣側的過氧化鋰率先達到極限厚度時，超氧根的濃度分布和擴散方向發生逆轉，由低氧區向高氧區擴散。
研究人員表示，經過實驗驗證，相關結論對于無序孔電極具有普適性和啟發性意義。對于微孔電極，提升氧氣在電解液中的溶解度和擴散速率是強化電化學性能的有效方式；而對于大孔電極，應通過電極修飾、催化劑設計等途徑提升過氧化鋰膜電導率并降低其沉積率，以緩解固-液界面鈍化。
相關論文信息:https://doi.org/10.1002/aenm.202302816
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