在目前研究的新型二次儲能系統(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)展過程中，放電產(chǎn)物過氧化鋰的絕緣性是一大難點。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)是未來電池技術(shù)如鋰-氧電池、鋰-硫電池的特征和主要困難。它們在這方面不同于當(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。這些過程中的動力學(xué)瓶頸是電極與絕緣、不溶性、固體存儲材料之間的電荷轉(zhuǎn)移，即使在低倍率下也會導(dǎo)致高過電位和不完全轉(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

“我們通過實驗發(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)比如過氧化鋰反應(yīng)時，存在一個突變電位。”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，氧化還原媒介體在與絕緣物質(zhì)反應(yīng)的動力學(xué)較慢;當(dāng)電位僅高于突變電位少許時，氧化還原媒介體與絕緣物質(zhì)反應(yīng)的動力學(xué)會突然加快。而通過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)過深入研究，我們發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象不僅在碘化鋰中存在，在其他媒介體與過氧化鋰反應(yīng)過程中也存在，這個結(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，這種現(xiàn)象與所選用的氧化還原媒介體及電解質(zhì)的類型無關(guān)，“經(jīng)過進(jìn)一步研究，我們發(fā)現(xiàn)突變電位存在的原因，其實是與絕緣物質(zhì)的晶面有關(guān)。因為絕緣物質(zhì)比如過氧化鋰等是多晶面的，媒介體的電位應(yīng)該超過主導(dǎo)晶面所需的最低過電勢。”

“課題組的研究得到了材料化學(xué)工程國家重點實驗室及能源科學(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)一步加快大型儲能系統(tǒng)例如新能源電動車等的發(fā)展進(jìn)程。

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