在目前研究的新型二次儲(chǔ)能系統(tǒng)中，鋰-氧電池是理論比能量最高的電池體系。但在鋰-氧電池的發(fā)展過(guò)程中，放電產(chǎn)物過(guò)氧化鋰的絕緣性是一大難點(diǎn)。日前，南京工業(yè)大學(xué)陳宇輝教授課題組聯(lián)合上海大學(xué)施思齊教授以及奧地利科學(xué)技術(shù)學(xué)院Stefan A. Freunberger教授，發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變鹽濃度或者溶劑，就可以極大提高絕緣體的電化學(xué)速率，并研究發(fā)現(xiàn)了其背后的機(jī)理。研究成果近日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《自然—催化》上。

鋰-硫電池和鋰-氧電池氧化還原媒介體與絕緣物質(zhì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)突變示意圖。課題組供圖

帶有絕緣體的電化學(xué)是未來(lái)電池技術(shù)如鋰-氧電池、鋰-硫電池的特征和主要困難。它們?cè)谶@方面不同于當(dāng)前的插層電池，如鋰離子電池，主要依靠離子脫出或嵌入來(lái)平衡混合導(dǎo)電固體的氧化還原電荷。

鋰-氧電池在放電或充電期間將溶解在電解質(zhì)中的氧氣相互轉(zhuǎn)化為固態(tài)絕緣過(guò)氧化鋰。鋰-硫電池可將固態(tài)絕緣硫和硫化鋰相互轉(zhuǎn)化。這些過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)瓶頸是電極與絕緣、不溶性、固體存儲(chǔ)材料之間的電荷轉(zhuǎn)移，即使在低倍率下也會(huì)導(dǎo)致高過(guò)電位和不完全轉(zhuǎn)化。

氧化還原媒介體與絕緣體反應(yīng)機(jī)理示意圖。課題組供圖

“我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用碘化鋰作為氧化還原媒介體催化劑，在與絕緣物質(zhì)比如過(guò)氧化鋰反應(yīng)時(shí)，存在一個(gè)突變電位。”論文第一作者、南京工業(yè)大學(xué)博士生曹德慶介紹，當(dāng)媒介體電位低于突變電位時(shí)，氧化還原媒介體在與絕緣物質(zhì)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)較慢;當(dāng)電位僅高于突變電位少許時(shí)，氧化還原媒介體與絕緣物質(zhì)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)會(huì)突然加快。而通過(guò)改變鋰離子濃度或者改變?nèi)軇涂梢哉{(diào)節(jié)媒介體電位的變化。

“經(jīng)過(guò)深入研究，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象不僅在碘化鋰中存在，在其他媒介體與過(guò)氧化鋰反應(yīng)過(guò)程中也存在，這個(gè)結(jié)論還可以延伸到除了鋰-氧電池的其他電池體系，例如鋰-硫電池。”陳宇輝教授說(shuō)，這種現(xiàn)象與所選用的氧化還原媒介體及電解質(zhì)的類型無(wú)關(guān)，“經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究，我們發(fā)現(xiàn)突變電位存在的原因，其實(shí)是與絕緣物質(zhì)的晶面有關(guān)。因?yàn)榻^緣物質(zhì)比如過(guò)氧化鋰等是多晶面的，媒介體的電位應(yīng)該超過(guò)主導(dǎo)晶面所需的最低過(guò)電勢(shì)。”

“課題組的研究得到了材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及能源科學(xué)與工程學(xué)院的大力支持，這一研究成果為鋰-氧和鋰-硫電池體系選擇媒介體提供了新思路，為未來(lái)研究媒介體催化劑提供了新依據(jù)。”陳宇輝教授表示，研究成果也會(huì)促進(jìn)鋰-氧電池和鋰-硫電池的工業(yè)化進(jìn)程，為替代目前商業(yè)化的鋰離子電池提供了更多選擇，進(jìn)一步加快大型儲(chǔ)能系統(tǒng)例如新能源電動(dòng)車等的發(fā)展進(jìn)程。

關(guān)鍵詞： 氧化還原 過(guò)氧化鋰 研究成果 南京工業(yè)大學(xué) 鋰離子電池