在目前研究的新型二次儲能系統(tǒng)中，鋰—氧電池是理論上比能量最高的電池體系。但其放電產(chǎn)物過氧化鋰的絕緣性，阻礙了鋰—氧電池的發(fā)展進(jìn)程。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)家，發(fā)現(xiàn)通過改變鋰鹽濃度或者溶劑，就可以讓絕緣體的電化學(xué)速率提高數(shù)倍。研究成果近日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《自然·催化》上。
與鋰離子電池等插層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不同，未來電池技術(shù)如鋰—氧電池、鋰—硫電池會產(chǎn)生絕緣物質(zhì)。鋰—氧電池在放電或充電期間將溶解在電解質(zhì)中的氧氣轉(zhuǎn)化為固態(tài)絕緣物質(zhì)過氧化鋰。鋰—硫電池可將固態(tài)絕緣物質(zhì)硫和硫化鋰相互轉(zhuǎn)化。電極與絕緣、不溶性、固體存儲材料之間會發(fā)生電荷轉(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。
“我們通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，用碘化鋰作為氧化還原媒介體的催化劑，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。而通過改變鋰鹽濃度或者改變?nèi)軇?，就可以調(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，比如鋰—硫電池。”陳宇輝說，他們發(fā)現(xiàn)突變電位存在的原因，其實(shí)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。
“這一研究成果為鋰—氧和鋰—硫電池體系選擇媒介體提供了一種新的思路，為未來研究媒介體催化劑提供了一個新的依據(jù)。”陳宇輝表示，該研究也會促進(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，將進(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。
原標(biāo)題：加入催化劑改變鹽濃度 鋰電池的動力學(xué)速率提高數(shù)倍
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