記者8日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)了解到,該校工程科學(xué)學(xué)院特任教授談鵬團隊首次揭示了鋰氧氣電池多孔電極中伴隨微觀結(jié)構(gòu)變化的電化學(xué)與傳質(zhì)耦合機理,將為新一代電極設(shè)計提供指導(dǎo)。研究成果日前以論文形式發(fā)表在《先進能源材料》上。
鋰氧氣電池因極高的理論能量密度而具有極大的發(fā)展?jié)摿?。過氧化鋰作為固體放電產(chǎn)物,一方面堵塞電極孔隙,阻礙低濃度氧氣在多孔電極中擴散;另一方面,鈍化電極表面,造成電子轉(zhuǎn)移受阻。然而,明確電池失效的根本原因仍具有挑戰(zhàn)性。受限于表征技術(shù)和均質(zhì)模型,目前對于多孔電極內(nèi)部電化學(xué)和傳質(zhì)耦合機理還缺乏定量認識。
為排除孔連通和分布不均勻性造成的干擾,研究團隊設(shè)計并構(gòu)建了一種傳輸通道陣列排布且定向可控的多孔電極,允許活性物定向傳輸。因此,通道單元的活性物質(zhì)傳輸路徑、通量,電化學(xué)反應(yīng)界面和產(chǎn)物儲存空間都可以定量。針對通道單元,團隊還構(gòu)建了非均質(zhì)的三維瞬態(tài)模型,以反映整個電極中電勢場和濃度場的時空分布細節(jié)。
聯(lián)合實驗和仿真結(jié)果表明,多孔電極的傳輸通道尺寸達到臨界值時,將影響鋰氧氣電池的工作機制。此外,該項工作研究首次定量分析了超氧根的分布和擴散特性。在過氧化鋰膜未沉積到極限厚度時,超氧根遵循氧氣分布特點,從氧氣側(cè)擴散到隔膜側(cè)。當氧氣側(cè)的過氧化鋰率先達到極限厚度時,超氧根的濃度分布和擴散方向發(fā)生逆轉(zhuǎn),由低氧區(qū)向高氧區(qū)擴散。
研究人員表示,經(jīng)過實驗驗證,相關(guān)結(jié)論對于無序孔電極具有普適性和啟發(fā)性意義。