材料科学与光电技术学院 中国科学院大学材料科学与光电技术学院

材料学院刘向峰教授课题组在锂氧电池方面取得进展

 锂-氧气电池因具有极高比能量（理论比能量为5210Wh/kg，目前锂离子电池仅为200Wh/kg左右）而且对空气无污染，被认为是未来最理想的能量存储系统之一，具有巨大的应用潜力。但是，锂氧电池的工作原理及衰退机制却一直很不清楚，严重制约了锂氧电池的发展。材料学院刘向峰教授课题组在前期锂氧电池工作的基础上（ACS Catal., 2018, 8, 1955; ACS Catal. 2018, 8, 8953;Nano Energy 2017,41, 535; ACS Catal., 2017, 7, 6533;ACS Catal., 2016, 6, 400;J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 17598;J. Phys. Chem. C 2015, 119, 4516等等），与德国赫姆霍兹柏林材料与能源中心的科学家们合作（Helmholtz Centre Berlin for Materials and Energy, Dr.Fu Sun, Dr.Dong Zhou, Dr. Ingo Manke等），结合同步辐射X射线成像以及中子三维断层扫描成像技术，揭示了锂氧电池的工作原理及性能衰退机制，并讨论了锂氧电池未来亟需解决的难题和攻关方向等。论文发表在美国化学会能源快报杂志ACS Energy Letters上（Revealing Hidden Facts of Li Anode in Cycled Lithium OxygenBatteries through X-ray and Neutron Tomography. ACS Energy Letters 2019, 4, 306–316）

图1. 锂氧电池的工作原理及性能衰退机制研究.

 此外，针对锂氧电池中氧还原/氧析出反应动力学缓慢、循环性差等关键问题，通过一种简单合成策略制备了富含原子边界且暴露{111}晶面的Co₃O₄超薄纳米片电催化剂，发现其更多的边界结构和更高的边界原子密度大幅度提升了电催化性能，并且对放电产物的初期成长有一定影响。这一催化剂结构调控理念也可以用于其它领域的高效催化剂设计中。该成果最近发表在美国化学会催化杂志ACS Catalysis上（Ultrathin Co₃O₄ Nanosheets with Edge-Enriched {111} Plane as Efficient Catalysts for Lithium-Oxygen Batteries. ACS Catalysis，DOI: 10.1021/acscatal.8b05182）

图2. 富含原子边界且暴露{111}晶面的Co₃O₄超薄纳米片电催化剂.

 研究工作得到了北京市自然科学基金、国家自然科学基金、中科院国际合作项目以及教育部“双一流”建设等经费的支持。