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在新能源儲(chǔ)能技術(shù)向高比能、長循環(huán)方向快速迭代的當(dāng)下，鋰氧氣電池憑借遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鋰離子電池的理論能量密度，成為下一代儲(chǔ)能技術(shù)的核心候選方向，但其商業(yè)化進(jìn)程卻因放電產(chǎn)物累積導(dǎo)致的性能衰減問題遲遲難以突破。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)談鵬教授團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得關(guān)鍵進(jìn)展，提出的功能區(qū)域化電極設(shè)計(jì)思路，成功解決了鋰氧氣電池中電化學(xué)反應(yīng)與放電產(chǎn)物存儲(chǔ)的固有矛盾，相關(guān)成果發(fā)表于能源領(lǐng)域頂刊《焦耳》，為高性能鋰氧氣電池的研發(fā)開辟了全新道路，也為金屬-氣體電池體系的優(yōu)化提供了重要參考。

鋰氧氣電池的理論能量密度接近汽油，被視作能徹底解決新能源續(xù)航與儲(chǔ)能容量痛點(diǎn)的“終極電池”之一，但其實(shí)際應(yīng)用卻面臨著難以逾越的技術(shù)障礙。

在放電過程中，電池會(huì)生成低導(dǎo)電性的固體過氧化鋰，這些產(chǎn)物會(huì)在電極內(nèi)部不斷累積，逐漸堵塞氧氣、鋰離子和電子的傳輸通道，造成反應(yīng)界面退化，最終導(dǎo)致電池反應(yīng)無法持續(xù)進(jìn)行，表現(xiàn)為實(shí)際放電容量低、循環(huán)穩(wěn)定性差。如何協(xié)調(diào)電化學(xué)反應(yīng)的高效進(jìn)行與過氧化鋰的合理存儲(chǔ)，成為提升鋰氧氣電池性能的核心難題，也是全球科研團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)。

面對這一挑戰(zhàn)，談鵬教授團(tuán)隊(duì)跳出傳統(tǒng)電極設(shè)計(jì)的思維框架，創(chuàng)新性提出功能區(qū)域化電極設(shè)計(jì)理念。團(tuán)隊(duì)通過精準(zhǔn)調(diào)控鋰離子濃度分布，將鋰氧氣電池中的氧單電子還原反應(yīng)與過氧化鋰存儲(chǔ)過程，分別錨定在電極的兩個(gè)獨(dú)立功能區(qū)域，讓原本相互干擾的兩個(gè)過程實(shí)現(xiàn)“分區(qū)作業(yè)”。

在這一結(jié)構(gòu)中，中間體超氧根成為放電過程中連接兩個(gè)區(qū)域的橋梁，氧化還原介質(zhì)則在充電過程中承擔(dān)相同作用，通過二者的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了電子的持續(xù)交換，以及過氧化鋰在指定區(qū)域的定向存儲(chǔ)與高效分解。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這一設(shè)計(jì)能讓約92.7%的過氧化鋰精準(zhǔn)沉積在專門的存儲(chǔ)區(qū)，既保證了電化學(xué)反應(yīng)區(qū)始終維持低阻力的氧氣傳輸狀態(tài)和高反應(yīng)活性，實(shí)現(xiàn)氧氣與氧化還原介質(zhì)的快速轉(zhuǎn)化，又讓產(chǎn)物存儲(chǔ)區(qū)為過氧化鋰提供了充足的附著位點(diǎn)，有效抑制了產(chǎn)物團(tuán)聚，保持了其與氧化還原介質(zhì)的高反應(yīng)接觸面積，從根本上解決了產(chǎn)物累積的問題。

令人振奮的是，這一設(shè)計(jì)方案的實(shí)用性得到了充分驗(yàn)證，即使采用常規(guī)碳材料構(gòu)建電極，電池依然展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。在0.1mAcm-2的電流密度下，基于功能區(qū)域化結(jié)構(gòu)的鋰氧氣電池全放電容量達(dá)到4.46mAhcm-2，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電池提升約60%；放電過電位低至0.2V，這意味著電池在能量轉(zhuǎn)化過程中的損耗大幅降低，同時(shí)電池可實(shí)現(xiàn)368次穩(wěn)定循環(huán)，循環(huán)穩(wěn)定性得到顯著提升。

為了讓這一設(shè)計(jì)更具應(yīng)用價(jià)值，研究團(tuán)隊(duì)還結(jié)合數(shù)學(xué)模型與可視化表征手段，深入揭示了固體產(chǎn)物存儲(chǔ)區(qū)孔結(jié)構(gòu)對超氧根傳輸和過氧化鋰沉積行為的影響規(guī)律，為后續(xù)電極結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

更值得關(guān)注的是，該設(shè)計(jì)理念并非局限于單一材料體系，而是具備良好的普適性。研究團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建不同材料配置的功能區(qū)域化電極體系進(jìn)行測試，結(jié)果顯示新體系均能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的反應(yīng)分區(qū)功能，在放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性上均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。同時(shí)，這一策略還能與催化劑優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)實(shí)際性能需求對反應(yīng)區(qū)與存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用場景。