交大團隊探究鋰空氣電池大孔動力學過電位行為獲進展

2020-12-05 上海交通大學新聞網

非水鋰空氣電池因具有能量密度高、綠色環保等優點，是目前備受關注的電化學能量存儲體系，但存在著倍率性能低、過電位高和循環性能差等一系列問題。傳統的陰極催化劑往往被設計成介孔結構以提供鋰空氣電池所需要的大量的氧還原或氧析出的活性位點。然而生成的微米尺寸的放電產物往往會堵住陰極催化劑材料的介孔孔道，不僅影響充放電過程的電解液的輸運和空氣的擴散，還會引起催化劑的失活，導致充放電過電勢過高。一般認為，大孔結構只是促進電解液或反應物在活性位點上的傳輸，而不會增大催化劑的活性表面。作為微米尺寸放電產物的主要儲存空間，大孔對鋰空氣電池的性能有著怎樣的影響，鋰空氣電池過電位高與哪些因素相關是研究人員廣泛關注的問題。  

近期，上海交通大學化學與化工學院陳接勝教授、王開學研究員團隊在探究鋰空氣電池大孔的動力學過電位行為方面取得重要進展，以氧化鋅納米棒陣列為硬模板，通過反相途徑引入了蜂窩煤狀大孔孔道，獲得了多級孔結構的自支撐碳膜；通過調節前驅體溶膠在氧化鋅模板中的浸漬高度，製備了具有導通大孔結構的多級孔碳膜和一面閉孔、一面通孔的碳膜，用作鋰空氣電池無粘結劑自支撐的陰極，獲得了優異的倍率性能。發現電極表面大孔的橫截面積是影響鋰空氣電池恆流放電曲線電壓滯後的一個主要因素，並基於大孔橫截面積和鋰離子遷移的固相反應過程，建立了鋰空氣電池過電位的動力學方程。 



圖1. (a,b)導通孔碳膜(HPCM)正反面的掃描電鏡圖；(c,d)盲孔碳膜(HPCM/C)的正反面掃描電鏡圖。正面指電池組裝時，正對著鋰片的碳膜表面。



圖2. (a)不同大孔結構的碳膜組裝鋰空氣電池示意圖；(b) 不同大孔結構碳膜的充放電曲線。(c) 不同大孔結構碳膜的倍率性能。(d) 不同大孔結構碳膜在不同電流密度下的容量保持率。

該成果「Free-Standing Li-O2 Battery Air Cathode Based on 3D Hierarchically Porous Carbon Membranes: the Kinetic Overpotential of Through Macropores」發表在最近的德國應用化學(Angew. Chem. Int. Ed.)上，博士生許樹茂是第一作者，王開學研究員為通訊作者。該研究成果得到了國家自然科學基金 (51472158, 21331004) 和國家重大科學研究計劃 (2014CB932102) 的支持。  

論文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201801399


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