中科大談鵬團(tuán)隊(duì)突破鋰空氣電池容量瓶頸，助力高能量密度電池發(fā)展

2024-11-29 11:34:43 來(lái)源：電池百人會(huì)-電池網(wǎng)

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簡(jiǎn)介：鋰空氣電池因其理論能量密度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鋰離子電池，被認(rèn)為是下一代高能量密度儲(chǔ)能器件的有力競(jìng)爭(zhēng)者。然而，鋰空氣電池在實(shí)際應(yīng)用中面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中之一便是實(shí)際放電容量遠(yuǎn)低于理論值，嚴(yán)重制約了其發(fā)展。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鋰空氣電池中電解質(zhì)傳輸和鋰枝晶成核動(dòng)力學(xué)之間的不匹配是導(dǎo)致容量瓶頸的關(guān)鍵因素?；诖耍瑘F(tuán)隊(duì)提出了一種全新的調(diào)控策略，通過(guò)優(yōu)化電解質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)，有效提升了電解質(zhì)傳輸效率，并抑制了鋰枝晶的過(guò)度生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力學(xué)過(guò)程的協(xié)同優(yōu)化。

圖1 Li2O2成核-生長(zhǎng)理論圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

鋰空氣電池因其理論能量密度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鋰離子電池，被認(rèn)為是下一代高能量密度儲(chǔ)能器件的有力競(jìng)爭(zhēng)者。然而，鋰空氣電池在實(shí)際應(yīng)用中面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中之一便是實(shí)際放電容量遠(yuǎn)低于理論值，嚴(yán)重制約了其發(fā)展。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鋰空氣電池中電解質(zhì)傳輸和鋰枝晶成核動(dòng)力學(xué)之間的不匹配是導(dǎo)致容量瓶頸的關(guān)鍵因素。基于此，團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的調(diào)控策略，通過(guò)優(yōu)化電解質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)，有效提升了電解質(zhì)傳輸效率，并抑制了鋰枝晶的過(guò)度生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力學(xué)過(guò)程的協(xié)同優(yōu)化。

該技術(shù)目前發(fā)表在國(guó)際著名期刊《自然·通訊》上，題為“Breaking the capacity bottleneck of lithium-oxygen batteries through reconceptualizing transport and nucleation kinetics”的研究性工作。該研究通過(guò)重新構(gòu)思傳輸和成核動(dòng)力學(xué)，成功打破了鋰空氣電池的容量瓶頸，大幅提升了電池的實(shí)際放電容量，為實(shí)現(xiàn)高能量密度鋰空氣電池提供了重要的理論指導(dǎo)。

鋰氧氣電池因其超高的理論能量密度，長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是未來(lái)能源存儲(chǔ)的革命性技術(shù)。盡管在高倍率性能和穩(wěn)定性方面取得了諸多進(jìn)展，但其實(shí)際容量仍遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到理論值。容量受限的主要原因在于多孔正極內(nèi)由于固體放電產(chǎn)物的生成造成空間利用不足。由于鋰氧氣電池中存在復(fù)雜的相變、傳質(zhì)及法拉第反應(yīng)的耦合過(guò)程，加之對(duì)電極內(nèi)部精確表征的技術(shù)限制，為突破容量瓶頸帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵，在于建立放電產(chǎn)物過(guò)氧化鋰(Li2O2)微觀行為和電化學(xué)性能的內(nèi)在聯(lián)系。為了排除敏感項(xiàng)(如供體數(shù)、催化劑)對(duì)Li2O2行為的影響，所有研究在固定組件下進(jìn)行，并通過(guò)鋰離子濃度調(diào)節(jié)初始動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子濃度影響下的電化學(xué)性能(容量、初始電壓平臺(tái)、阻抗)趨勢(shì)并不符合離子電導(dǎo)率趨勢(shì)，且Li2O2行為不能完全被先前的成核理論解釋。

研究表明，Li2O2的成核-生長(zhǎng)過(guò)程金屬鋰的沉積機(jī)制顯著不同，如圖1所示。在低鋰離子濃度(0.05-0.1 M)的電解液中，電極表面更多的氧吸附量誘發(fā)了初始放電階段較低的過(guò)電位，并形成高Li2O2核密度。這些高密度核進(jìn)一步生長(zhǎng)為膜狀結(jié)構(gòu)，阻斷電子傳輸，導(dǎo)致放電后期電壓快速下降。而在高鋰離子濃度(0.5-2 M)的電解液中，較低的核密度促使Li2O2以分散顆粒的形式生長(zhǎng)，從而有效保持了電極表面的氧氣和電子傳輸通道。

通過(guò)可視化電極和跨尺度數(shù)學(xué)模型，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究了Li2O2分布特性并追蹤其最大體積分?jǐn)?shù)的遷移過(guò)程。在0.5M電解液中，Li2O2顆粒呈現(xiàn)逆氧氣梯度分布，實(shí)現(xiàn)了最大放電容量。這一現(xiàn)象是高鋰離子電導(dǎo)率、顆粒狀產(chǎn)物和快速氧氣運(yùn)輸特性綜合作用的結(jié)果，標(biāo)志著成核與傳輸動(dòng)力學(xué)達(dá)到最佳平衡。然而，在更高濃度的電解液(0.5-2M)中，較高的粘度限制了氧氣傳輸距離，導(dǎo)致電極利用率和容量漸降低。

圖2 結(jié)論驗(yàn)證與對(duì)電極設(shè)計(jì)啟發(fā)

在具有最佳動(dòng)力學(xué)兼容性的0.5M電解液中，靠近隔膜側(cè)傳輸通道的堵塞是導(dǎo)致電極失效的關(guān)鍵因素。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，通過(guò)改變電極局部結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控電池性能，如圖2所示。結(jié)果表明，在隔膜側(cè)設(shè)計(jì)呼吸通道，其容量是將呼吸通道設(shè)置在氧氣入口側(cè)的2.5倍。由此可見，突破容量瓶頸的關(guān)鍵在于維持電極深處的物質(zhì)傳輸，而非僅取決于加速氧氣傳輸。

該研究深化了對(duì)電極設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的理解，并為其他固體產(chǎn)物體系的金屬-氣體電池提供了參考路徑。

談鵬教授表示，這項(xiàng)研究的成功得益于團(tuán)隊(duì)成員的共同努力和多學(xué)科交叉的合作。未來(lái)，他們將繼續(xù)深入研究鋰空氣電池的性能優(yōu)化，探索更多提升電池能量密度的可能性，為推動(dòng)新能源技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

總的來(lái)說(shuō)，談鵬教授團(tuán)隊(duì)的研究工作為鋰空氣電池的發(fā)展帶來(lái)了新的希望，也為實(shí)現(xiàn)高能量密度電池技術(shù)提供了重要的理論基礎(chǔ)。隨著這一技術(shù)的不斷完善和推廣，鋰空氣電池有望在未來(lái)成為新能源領(lǐng)域的重要力量，為解決全球能源問(wèn)題提供新的解決方案。