研究人員開發出高性能鋰氧氣電池正極催化劑

近日，中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組研究員吳忠帥團隊與納米與界面催化研究組包信和院士團隊合作，在鋰氧氣電池正極高效雙功能催化劑研究方面取得新進展。團隊開發出高活性（101）晶面占優的二維Mn3O4/石墨烯復合催化劑材料，構建出高容量、長壽命鋰氧氣電池。

鋰氧氣（Li-O2）電池具有超高理論能量密度（3500Wh/kg），被廣泛認為是未來最有潛力的高比能電池之一。由于空氣正極的催化活性較差，嚴重阻礙了其商業化發展。研究發現，設計具有特定形貌和高活性暴露晶面的雙功能氧催化劑，能夠有效調控固—液—氣三相界面處的氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）。

本工作中，科研人員利用晶面工程，設計并研制出高活性（101）晶面占優且富含氧空位的石墨烯負載Mn3O4納米片（Mn3O4 NS/G），并利用其作為正極雙功能催化劑，構建出高容量、長壽命鋰氧氣電池，獲得了0.86V的較低過電位，明顯優于（211）晶面的Mn3O4/石墨烯材料（1.15V）。研究發現，Mn3O4 NS/G基Li-O2電池表現出超高的放電比容量（35583mAh/g，基于催化劑質量）及在130圈（1300h）內優異的長循環穩定性，優于大多數錳基Li-O2電池。實驗和理論研究進一步證明，與Mn3O4（211）相比，Mn3O4（101）對Li2O2的吸附能較低，在充電過程中有利于Li2O2的分解，從而大幅降低充電過電勢。

該工作為設計高效雙功能催化劑與構建高性能鋰氧氣電池提供了新思路。