CMF-G-Co/CoO和CMF-G電極的放電機(jī)制及其形貌變化

鋰空氣電池是一種以金屬鋰作為陽極、空氣中的氧氣作為陰極反應(yīng)物的電池。在該電池體系中，空氣電極可以源源不斷地從周圍環(huán)境中汲取氧氣，理論能量密度高達(dá)11140Wh/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前鋰離子電池的能量密度（lt300Wh/kg），在電動汽車等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大應(yīng)用前景。然而，鋰空氣電池存在電化學(xué)反應(yīng)過程復(fù)雜以及過電勢大、壽命短等一系列問題。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室研究員閻興斌課題組和羰基合成與選擇氧化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員合作，設(shè)計(jì)了一系列高性能空氣電極催化劑，并系統(tǒng)研究了不同催化劑條件下的放電過程與作用機(jī)制。

研究人員以碳纖維(CFs)作為犧牲模板劑分別制備了低比表面積的管狀二氧化錳(delta-MnO2)和高比表面積的CFs/MnO2同軸纖維。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，delta-MnO2催化劑的引入可促使放電產(chǎn)物（Li2O2）由環(huán)形結(jié)構(gòu)向片層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，同時(shí)催化劑自身不會附著Li2O2，這一特征使催化劑可以連續(xù)工作，源源不斷地生成Li2O2，從而顯著提高鋰空氣電池的電化學(xué)性能。研究人員進(jìn)一步將高比表面積的CFs/MnO2與低比表面積的炭黑組合制成空氣電極。研究發(fā)現(xiàn)在該電極下，Li2O2由純炭電極的高結(jié)晶度的環(huán)形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成了近無定形的Li2O2納米棒組裝的聚集體，同時(shí)這些聚集體在電極表面隨機(jī)散落，證明在該電極下Li2O2主要經(jīng)由液相生成。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了delta-MnO2的作用機(jī)制并闡明了Li2O2在放電過程中的生長歷程。此外，該催化劑顯著降低了空氣電極的過電勢，從而大幅提高了鋰空氣電池的電化學(xué)性能。相關(guān)工作相繼發(fā)表在ChemSusChem.(2015,8,1972)和J.MaterialsChemistryA(2015,3,10811)上。

在以上工作基礎(chǔ)上，研究人員通過一步法制備了碳化的密胺海綿-石墨烯-核殼結(jié)構(gòu)的鈷/一氧化鈷（Co/CoO）三維復(fù)合空氣電極。在此設(shè)計(jì)中，密胺海綿碳骨架賦予了電極高彈性和自支撐特性，并提供了石墨烯納米片的支撐框架；石墨烯納米片平整的二維結(jié)構(gòu)有利于Co/CoO的均勻負(fù)載和放電產(chǎn)物的跟蹤觀察；鈷前驅(qū)體的引入可提高石墨烯的還原程度，降低石墨烯對LiO2（Li2O2中間體）的吸附能。同時(shí)，Co/CoO作為高LiO2吸附能材料，可誘導(dǎo)Li2O2主要生長在Co/CoO顆粒表面，從而降低了石墨烯與Li2O2的接觸面，減少了發(fā)生在Li2O2/C表面的副反應(yīng)，進(jìn)而顯著提高了鋰空氣電池的電化學(xué)性能。這一設(shè)計(jì)為鋰空氣電池正極的構(gòu)筑和研發(fā)提供了新的思路和方法，并為多功能電極的制備提供了新的設(shè)計(jì)方案。該研究工作近期在線發(fā)表在AdvancedFunctionalMaterials(DOI:10.1002/adfm201503907)上。

以上工作得到國家自然科學(xué)基金、蘭州化物所一三五重點(diǎn)培育項(xiàng)目的資助和支持。