記者8日從中國(guó)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(tuán)隊(duì)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(jī)理，將為新一代電極設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。研究成果日前以論文形式發(fā)表在《先進(jìn)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(guò)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(kuò)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(duì)于多孔電極內(nèi)部電化學(xué)和傳質(zhì)耦合機(jī)理還缺乏定量認(rèn)識(shí)。

為排除孔連通和分布不均勻性造成的干擾，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(chǔ)存空間都可以定量。針對(duì)通道單元，團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了非均質(zhì)的三維瞬態(tài)模型，以反映整個(gè)電極中電勢(shì)場(chǎng)和濃度場(chǎng)的時(shí)空分布細(xì)節(jié)。

聯(lián)合實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，多孔電極的傳輸通道尺寸達(dá)到臨界值時(shí)，將影響鋰氧氣電池的工作機(jī)制。此外，該項(xiàng)工作研究首次定量分析了超氧根的分布和擴(kuò)散特性。在過(guò)氧化鋰膜未沉積到極限厚度時(shí)，超氧根遵循氧氣分布特點(diǎn)，從氧氣側(cè)擴(kuò)散到隔膜側(cè)。當(dāng)氧氣側(cè)的過(guò)氧化鋰率先達(dá)到極限厚度時(shí)，超氧根的濃度分布和擴(kuò)散方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，由低氧區(qū)向高氧區(qū)擴(kuò)散。

研究人員表示，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相關(guān)結(jié)論對(duì)于無(wú)序孔電極具有普適性和啟發(fā)性意義。