CMF-G-Co/CoO和CMF-G電極的放電機制及其形貌變化

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11140Wh/kg，遠遠超出了當前鋰離子電池的能量密度（lt300Wh/kg），在電動汽車等領域展現出了巨大應用前景。然而，鋰空氣電池存在電化學反應過程復雜以及過電勢大、壽命短等一系列問題。

中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室研究員閻興斌課題組和羰基合成與選擇氧化國家重點實驗室研究人員合作，設計了一系列高性能空氣電極催化劑，并系統研究了不同催化劑條件下的放電過程與作用機制。

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。結果發(fā)現，delta-MnO2催化劑的引入可促使放電產物（Li2O2）由環(huán)形結構向片層結構轉變，同時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性能。研究人員進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)現在該電極下，Li2O2由純炭電極的高結晶度的環(huán)形結構轉變成了近無定形的Li2O2納米棒組裝的聚集體，同時這些聚集體在電極表面隨機散落，證明在該電極下Li2O2主要經由液相生成。這一發(fā)現進一步證實了delta-MnO2的作用機制并闡明了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性能。相關工作相繼發(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-核殼結構的鈷/一氧化鈷（Co/CoO）三維復合空氣電極。在此設計中，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構有利于Co/CoO的均勻負載和放電產物的跟蹤觀察；鈷前驅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，Co/CoO作為高LiO2吸附能材料，可誘導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，進而顯著提高了鋰空氣電池的電化學性能。這一設計為鋰空氣電池正極的構筑和研發(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計方案。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基金、蘭州化物所一三五重點培育項目的資助和支持。