近日，中國科學技術大學工程科學學院熱科學和能源工程系談鵬教授團隊在鋰氧氣電池取得重要進展。研究團隊提出一種功能區(qū)域化電極設計策略，解決了鋰氧電池中電化學反應與放電產(chǎn)物存儲之間的固有矛盾，顯著提升了傳質(zhì)特性和電化學性能。相關成果以“Regulating Targeted Reactions via Functionally Regionalized Electrodes toward Lithium–Oxygen Batteries with High Reversibility”為題，發(fā)表于能源領域著名期刊《焦耳》（Joule）。
鋰氧氣電池因理論能量密度極高，被視為下一代高比能儲能技術的重要候選體系。然而，該體系仍面臨實際放電容量有限、循環(huán)穩(wěn)定性不足等挑戰(zhàn)。其核心問題在于，放電過程中生成的低導電性固體過氧化鋰（Li2O2）在電極中不斷累積，不可避免地導致傳輸通道和反應界面退化，阻礙氧氣、鋰離子和電子傳輸，進而限制電池反應持續(xù)進行。因此，如何協(xié)調(diào)電化學反應與Li2O2存儲之間的沖突，是提升電池性能的關鍵。
針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊提出功能區(qū)域化電極設計思路（圖1）。通過調(diào)控鋰離子濃度分布，將氧單電子還原和Li2O2存儲分別錨定在電極的兩個區(qū)域；中間體超氧根和氧化還原介質(zhì)（RM）分別作為放電和充電過程中連接兩區(qū)域的橋梁，實現(xiàn)電子的持續(xù)交換以及Li2O2的定向存儲與分解。研究表明，約92.7%的Li2O2定向沉積在專門的存儲區(qū)，使得電化學反應區(qū)能夠維持低阻力氧氣傳輸和高反應活性，實現(xiàn)氧氣和RM的快速轉(zhuǎn)化。與此同時，產(chǎn)物存儲區(qū)為Li2O2沉積提供充足的附著位點，抑制其團聚，從而保持與RM較高的反應接觸面積。
圖1 常規(guī)電極（a）與功能區(qū)域化電極（b）的結構與反應原理示意圖
實驗結果表明，基于這一結構設計，即使采用常規(guī)碳材料構建電極，電池仍表現(xiàn)出優(yōu)異性能。在0.1 mA cm-2電流密度下，功能區(qū)域化結構的全放電容量達到4.46 mAh cm-2，較傳統(tǒng)結構提高約60%；放電過電位低至0.2 V，并可穩(wěn)定循環(huán)368次（圖2）。結合數(shù)學模型與可視化表征，研究團隊還進一步揭示了固體產(chǎn)物存儲區(qū)孔結構對超氧根傳輸和Li2O2沉積行為的影響規(guī)律，為電極結構優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
圖2 功能區(qū)域化電極的電化學性能
研究團隊進一步驗證了該設計理念的普適性，構建了另一組不同材料配置的功能區(qū)域化電極體系。測試結果表明，新體系同樣實現(xiàn)了預期的反應分區(qū)功能，并在放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性上表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。該策略還可與催化劑優(yōu)化相結合，根據(jù)性能需求對反應區(qū)與存儲區(qū)開展獨立調(diào)控。功能區(qū)域化電極設計策略不僅為高性能鋰氧氣電池提供新的設計空間，也為其他伴隨固體產(chǎn)物演化的金屬-氣體電池體系提供了參考。
談鵬教授團隊長期聚焦鋰氣體電池中的能質(zhì)耦合傳輸問題。團隊基于可視化規(guī)則電極，觀測到Li2O2逆氧濃度生長的分布特征（Nano Lett.2022, 22, 7527-7534）；解析了微量水、氧和二氧化碳的協(xié)同傳輸機制，闡明了電池電壓不穩(wěn)定的原因（PNAS2022,120, e2217454120）；結合多物理場模型提出質(zhì)-電耦合傳輸機理（Adv. Energy Mater.2023, 13, 2302816），進一步建立了鋰離子濃度對Li2O2成核動力學、傳輸動力學的影響規(guī)律，提出了基于鋰離子濃度調(diào)控的性能優(yōu)化思路（Nat. Commun.2024, 15, 9952）。
工程科學學院熱科學和能源工程系張卓君博士后為該論文的第一作者，談鵬教授為通訊作者。本工作得到國家自然科學基金（52376080、524B2080）的資助。
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