中科大谈鹏团队突破锂空气电池容量瓶颈，助力高能量密度电池发展

2024-11-29 11:34:43 来源：电池百人会-电池网

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简介：锂空气电池因其理论能量密度远超传统锂离子电池，被认为是下一代高能量密度储能器件的有力竞争者。然而，锂空气电池在实际应用中面临着诸多挑战，其中之一便是实际放电容量远低于理论值，严重制约了其发展。中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系特任教授谈鹏团队发现，锂空气电池中电解质传输和锂枝晶成核动力学之间的不匹配是导致容量瓶颈的关键因素。基于此，团队提出了一种全新的调控策略，通过优化电解质组成和结构，有效提升了电解质传输效率，并抑制了锂枝晶的过度生长，从而实现了动力学过程的协同优化。

图1 Li2O2成核-生长理论图片来源：中国科学技术大学

锂空气电池因其理论能量密度远超传统锂离子电池，被认为是下一代高能量密度储能器件的有力竞争者。然而，锂空气电池在实际应用中面临着诸多挑战，其中之一便是实际放电容量远低于理论值，严重制约了其发展。

中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系特任教授谈鹏团队发现，锂空气电池中电解质传输和锂枝晶成核动力学之间的不匹配是导致容量瓶颈的关键因素。基于此，团队提出了一种全新的调控策略，通过优化电解质组成和结构，有效提升了电解质传输效率，并抑制了锂枝晶的过度生长，从而实现了动力学过程的协同优化。

该技术目前发表在国际著名期刊《自然·通讯》上，题为“Breaking the capacity bottleneck of lithium-oxygen batteries through reconceptualizing transport and nucleation kinetics”的研究性工作。该研究通过重新构思传输和成核动力学，成功打破了锂空气电池的容量瓶颈，大幅提升了电池的实际放电容量，为实现高能量密度锂空气电池提供了重要的理论指导。

锂氧气电池因其超高的理论能量密度，长期以来被认为是未来能源存储的革命性技术。尽管在高倍率性能和稳定性方面取得了诸多进展，但其实际容量仍远没有达到理论值。容量受限的主要原因在于多孔正极内由于固体放电产物的生成造成空间利用不足。由于锂氧气电池中存在复杂的相变、传质及法拉第反应的耦合过程，加之对电极内部精确表征的技术限制，为突破容量瓶颈带来了巨大挑战。

解决上述问题的关键，在于建立放电产物过氧化锂(Li2O2)微观行为和电化学性能的内在联系。为了排除敏感项(如供体数、催化剂)对Li2O2行为的影响，所有研究在固定组件下进行，并通过锂离子浓度调节初始动力学状态。研究发现，锂离子浓度影响下的电化学性能(容量、初始电压平台、阻抗)趋势并不符合离子电导率趋势，且Li2O2行为不能完全被先前的成核理论解释。

研究表明，Li2O2的成核-生长过程金属锂的沉积机制显著不同，如图1所示。在低锂离子浓度(0.05-0.1 M)的电解液中，电极表面更多的氧吸附量诱发了初始放电阶段较低的过电位，并形成高Li2O2核密度。这些高密度核进一步生长为膜状结构，阻断电子传输，导致放电后期电压快速下降。而在高锂离子浓度(0.5-2 M)的电解液中，较低的核密度促使Li2O2以分散颗粒的形式生长，从而有效保持了电极表面的氧气和电子传输通道。

通过可视化电极和跨尺度数学模型，该团队进一步探究了Li2O2分布特性并追踪其最大体积分数的迁移过程。在0.5M电解液中，Li2O2颗粒呈现逆氧气梯度分布，实现了最大放电容量。这一现象是高锂离子电导率、颗粒状产物和快速氧气运输特性综合作用的结果，标志着成核与传输动力学达到最佳平衡。然而，在更高浓度的电解液(0.5-2M)中，较高的粘度限制了氧气传输距离，导致电极利用率和容量渐降低。

图2 结论验证与对电极设计启发

在具有最佳动力学兼容性的0.5M电解液中，靠近隔膜侧传输通道的堵塞是导致电极失效的关键因素。为了验证这一结论，通过改变电极局部结构来调控电池性能，如图2所示。结果表明，在隔膜侧设计呼吸通道，其容量是将呼吸通道设置在氧气入口侧的2.5倍。由此可见，突破容量瓶颈的关键在于维持电极深处的物质传输，而非仅取决于加速氧气传输。

该研究深化了对电极设计准则的理解，并为其他固体产物体系的金属-气体电池提供了参考路径。

谈鹏教授表示，这项研究的成功得益于团队成员的共同努力和多学科交叉的合作。未来，他们将继续深入研究锂空气电池的性能优化，探索更多提升电池能量密度的可能性，为推动新能源技术的发展贡献力量。

总的来说，谈鹏教授团队的研究工作为锂空气电池的发展带来了新的希望，也为实现高能量密度电池技术提供了重要的理论基础。随着这一技术的不断完善和推广，锂空气电池有望在未来成为新能源领域的重要力量，为解决全球能源问题提供新的解决方案。