記者27日從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校特任教授談鵬團隊發(fā)現(xiàn)，通過改變鋰離子濃度，調(diào)控傳輸與成核動力學之間的匹配程度，可以顯著提升鋰氧氣電池的放電容量。該研究為實現(xiàn)高能量密度鋰空氣電池提供了理論指導(dǎo)。
鋰氧氣電池因其超高的理論能量密度，長期以來被認為是未來能源存儲的革命性技術(shù)。近年來，研究人員在鋰氧氣電池的高倍率性能和穩(wěn)定性方面取得了諸多進展，但實際容量遠沒有達到理論值，主要原因在于多孔正極內(nèi)空間利用率不足。其中，相變、傳質(zhì)及法拉第反應(yīng)的復(fù)雜耦合以及對電極內(nèi)部精確表征的技術(shù)限制，為揭示正極過程、突破容量瓶頸帶來挑戰(zhàn)。
解決上述問題的關(guān)鍵是建立放電產(chǎn)物過氧化鋰微觀行為和電化學性能的聯(lián)系。在此次研究工作中，為了排除溶劑、催化劑等因素對過氧化鋰行為的影響，研究人員通過改變鋰離子濃度調(diào)節(jié)初始動力學狀態(tài)。
實驗結(jié)果表明，鋰離子濃度影響下的電化學性能變化趨勢并不符合離子電導(dǎo)率趨勢，且過氧化鋰行為也不能完全被先前的成核理論解釋。
通過可視化電極和跨尺度數(shù)學模型，研究團隊進一步探究了過氧化鋰分布特性。在0.5摩爾每升電解液中，過氧化鋰顆粒呈現(xiàn)逆氧氣梯度分布，標志著成核與傳輸動力學達到最佳平衡，從而實現(xiàn)最大放電容量。
研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)，突破鋰氧氣電池容量瓶頸的關(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。
研究人員介紹，此次研究深化了對電極設(shè)計準則的理解，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。
相關(guān)研究成果日前發(fā)表于國際權(quán)威學術(shù)期刊《自然·通訊》。
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