上海交大團隊在探究鋰空氣電池大孔動力學(xué)過電位行為方面獲重要進展
非水鋰空氣電池因具有能量密度高、綠色環(huán)保等優(yōu)點，是目前備受關(guān)注的電化學(xué)能量存儲體系，但存在著倍率性能低、過電位高和循環(huán)性能差等一系列問題。傳統(tǒng)的陰極催化劑往往被設(shè)計成介孔結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(dǎo)致充放電過電勢過高。一般認為，大孔結(jié)構(gòu)只是促進電解液或反應(yīng)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(chǎn)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(guān)是研究人員廣泛關(guān)注的問題。
近期，上海交通大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院陳接勝教授、王開學(xué)研究員團隊在探究鋰空氣電池大孔的動力學(xué)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(jié)構(gòu)的自支撐碳膜；通過調(diào)節(jié)前驅(qū)體溶膠在氧化鋅模板中的浸漬高度，制備了具有導(dǎo)通大孔結(jié)構(gòu)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(jié)劑自支撐的陰極，獲得了優(yōu)異的倍率性能。發(fā)現(xiàn)電極表面大孔的橫截面積是影響鋰空氣電池恒流放電曲線電壓滯后的一個主要因素，并基于大孔橫截面積和鋰離子遷移的固相反應(yīng)過程，建立了鋰空氣電池過電位的動力學(xué)方程。
圖1. (a,b)導(dǎo)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(jié)構(gòu)的碳膜組裝鋰空氣電池示意圖；(b) 不同大孔結(jié)構(gòu)碳膜的充放電曲線。(c) 不同大孔結(jié)構(gòu)碳膜的倍率性能。(d) 不同大孔結(jié)構(gòu)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(fā)表在最近的德國應(yīng)用化學(xué)(Angew. Chem. Int. Ed.)上，博士生許樹茂是第一作者，王開學(xué)研究員為通訊作者。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金 (51472158, 21331004) 和國家重大科學(xué)研究計劃 (2014CB932102) 的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201801399
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