中国科大开发高可逆锂氧气电池

　　近日，中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系谈鹏教授团队在锂氧气电池取得重要进展。研究团队提出一种功能区域化电极设计策略，解决了锂氧电池中电化学反应与放电产物存储之间的固有矛盾，显著提升了传质特性和电化学性能。相关成果以“Regulating Targeted Reactions via Functionally Regionalized Electrodes toward Lithium–Oxygen Batteries with High Reversibility”为题，发表于能源领域著名期刊《焦耳》(Joule)。
 

　　锂氧气电池因理论能量密度极高，被视为下一代高比能储能技术的重要候选体系。然而，该体系仍面临实际放电容量有限、循环稳定性不足等挑战。其核心问题在于，放电过程中生成的低导电性固体过氧化锂(Li2O2)在电极中不断累积，不可避免地导致传输通道和反应界面退化，阻碍氧气、锂离子和电子传输，进而限制电池反应持续进行。因此，如何协调电化学反应与Li2O2存储之间的冲突，是提升电池性能的关键。
 

　　针对这一挑战，研究团队提出功能区域化电极设计思路。通过调控锂离子浓度分布，将氧单电子还原和Li2O2存储分别锚定在电极的两个区域；中间体超氧根和氧化还原介质(RM)分别作为放电和充电过程中连接两区域的桥梁，实现电子的持续交换以及Li2O2的定向存储与分解。研究表明，约92.7%的Li2O2定向沉积在专门的存储区，使得电化学反应区能够维持低阻力氧气传输和高反应活性，实现氧气和RM的快速转化。与此同时，产物存储区为Li2O2沉积提供充足的附着位点，抑制其团聚，从而保持与RM较高的反应接触面积。
 

　　实验结果表明，基于这一结构设计，即使采用常规碳材料构建电极，电池仍表现出优异性能。在0.1 mA cm-2电流密度下，功能区域化结构的全放电容量达到4.46 mAh cm-2，较传统结构提高约60%；放电过电位低至0.2 V，并可稳定循环368次。结合数学模型与可视化表征，研究团队还进一步揭示了固体产物存储区孔结构对超氧根传输和Li2O2沉积行为的影响规律，为电极结构优化提供了理论依据。
 

　　研究团队进一步验证了该设计理念的普适性，构建了另一组不同材料配置的功能区域化电极体系。测试结果表明，新体系同样实现了预期的反应分区功能，并在放电容量和循环稳定性上表现出明显优势。该策略还可与催化剂优化相结合，根据性能需求对反应区与存储区开展独立调控。功能区域化电极设计策略不仅为高性能锂氧气电池提供新的设计空间，也为其他伴随固体产物演化的金属-气体电池体系提供了参考。
 

　　谈鹏教授团队长期聚焦锂气体电池中的能质耦合传输问题。团队基于可视化规则电极，观测到Li2O2逆氧浓度生长的分布特征(Nano Lett.2022, 22, 7527-7534)；解析了微量水、氧和二氧化碳的协同传输机制，阐明了电池电压不稳定的原因(PNAS2022,120, e2217454120)；结合多物理场模型提出质-电耦合传输机理(Adv. Energy Mater.2023, 13, 2302816)，进一步建立了锂离子浓度对Li2O2成核动力学、传输动力学的影响规律，提出了基于锂离子浓度调控的性能优化思路(Nat. Commun.2024, 15, 9952)。
 

　　工程科学学院热科学和能源工程系张卓君博士后为该论文的第一作者，谈鹏教授为通讯作者。本工作得到国家自然科学基金(52376080、524B2080)的资助。