鋰-空氣電池具有超高的理論能量密度，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ膬?chǔ)能技術(shù)。近十年來，通過開發(fā)各種高效催化劑、電極結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定電解質(zhì)，鋰-空氣電池性能得到顯著的提升。然而，該電池系統(tǒng)在倍率性能、能量效率以及循環(huán)壽命等方面依然存在較大提升空間。為推動(dòng)該技術(shù)發(fā)展，從本質(zhì)上揭示并強(qiáng)化其中的電子、離子、分子等多物種耦合傳輸及能量轉(zhuǎn)化特性至關(guān)重要。

近日，我校工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬團(tuán)隊(duì)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱星寶教授在國(guó)際著名期刊《Electrochemical Energy Reviews》發(fā)表了題為《Addressing Transport Issues in Non Aqueous Li–air Batteries》的綜述論文。該工作系統(tǒng)地分析了非水系鋰-空氣電池中多物種輸運(yùn)所面臨的挑戰(zhàn)，總結(jié)了空氣組分、鋰離子和中間態(tài)物質(zhì)等的傳輸過程，闡明了固體放電產(chǎn)物形貌、分布與電化學(xué)性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，并探討了氧化還原介質(zhì)應(yīng)用和四電子轉(zhuǎn)移可行性。在此基礎(chǔ)上，提出了強(qiáng)化物質(zhì)傳輸、加快反應(yīng)速率和實(shí)現(xiàn)電池穩(wěn)定運(yùn)行的策略，為開發(fā)高性能鋰-空氣電池提供了可靠的思路。

圖1 非水系鋰-空氣電池中多物種輸運(yùn)過程示意圖

圖2 非水系鋰-空氣電池的關(guān)鍵傳質(zhì)問題與解決策略

談鵬課題組近些年圍繞鋰-空氣電池多孔電極內(nèi)物種輸運(yùn)與能量轉(zhuǎn)化機(jī)制開展了實(shí)驗(yàn)和理論研究，并取得系列進(jìn)展：開展空氣中多組分協(xié)同傳輸下電池工作電壓調(diào)控規(guī)律和反應(yīng)機(jī)制研究（PNAS, 2022,120,e2217454120），該成果在Altmetric評(píng)分的所有研究中排名Top 5%；闡明充放電過程中物質(zhì)傳輸速率和產(chǎn)物沉積行為對(duì)電池能量效率的限制作用（ACS Sustain. Chem. Eng., 2020, 8, 9742–9750）；通過設(shè)計(jì)一種高度有序的空氣電極，揭示鋰-空氣電池的失效機(jī)制（Nano Lett.,2022, 22, 7527-7534），成果報(bào)道于美國(guó)促進(jìn)協(xié)會(huì)（AAAS）主辦的全球科技新聞服務(wù)平臺(tái)（EurekAlert），在Altmetric評(píng)分的所有研究中排名Top 5%；構(gòu)建了從多孔電極到全電池尺度數(shù)學(xué)模型，解釋了放電過程中出現(xiàn)多段電壓平臺(tái)的現(xiàn)象（Electrochim. Acta, 2022, 421, 140510），并設(shè)計(jì)了一種基于強(qiáng)化傳輸理念的高能量密度鋰-空氣電池新結(jié)構(gòu)（Appl. Energy, 2022, 328, 120186）。

以上系列研究受到國(guó)內(nèi)外同行的廣泛認(rèn)可，并多次報(bào)道于國(guó)內(nèi)外新聞媒體，相關(guān)研究對(duì)于推動(dòng)鋰-空氣電池技術(shù)應(yīng)用具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。

工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬為該論文的通訊作者，博士研究生張卓君為該論文的第一作者。鋰-空氣電池系列研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家創(chuàng)新人才計(jì)劃青年項(xiàng)目、中科院人才項(xiàng)目和唐仲英基金會(huì)仲英青年學(xué)者項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s41918-022-00157-3

（工程科學(xué)學(xué)院、科研部）