Small Methods: 电子结构和电极构型的组合设计构建锂氧电池低过电位氧气电极

锂氧电池因其超高的理论能量密度作为未来潜在的电化学储能技术被广泛地研究,然而其实际应用仍然面临极化大和能量效率低的问题。这一问题主要来自于氧气电极缓慢的电化学动力学特性和涉及不溶放电产物堆积的反应机制。因此,通过催化剂设计加快电极反应,通过电极结构设计保证高效物质传输,均对构建高性能氧气电极十分重要。

目前,廉价且稳定的过渡金属氧化物催化剂因有限的催化性能和导电性,仍然面临着高极化过电位和低能量效率的问题。在水溶液析氢、析氧反应的研究中,通过氮原子引入等方法调控过渡金属化合物的电子结构实现高催化活性,是广泛采用的研究策略。然而,作为一种可能提升质子惰性溶剂中氧气电极催化活性的手段,电子结构调控却极少被应用。另一方面,为构建多孔结构,传统复合电极采用的导电剂和添加剂将遮蔽部分催化活性位点,从而降低催化剂的利用率。与此相比,文献研究已经证明,无粘接剂的纳米阵列结构提供有序多孔结构可提高催化剂利用率,进而实现氧气电极的高催化活性。然而,目前尚无报道在纳米阵列结构上引入电子调控,构建锂氧电池高效氧气电极。

针对这些问题和研究进展,最近武汉理工大学刘金平和肖亮教授课题组提出了组合催化剂电子结构和纳米阵列电极结构的设计策略,并用于构建锂氧电池低过电位和高面容量的氧气催化电极,在Small Methods上发表了题为“Combinational Design of Electronic Structure and Nanoarray Architecture Achieves a Low‐Overpotential Oxygen Electrode for Aprotic Lithium–Oxygen Batteries”的研究论文(DOI: 10.1002/smtd.201900619)。该工作以CoN纳米线阵列作为研究实例,通过实验研究和理论计算证实,CoN独特的电子结构实现了放电产物Li2O2和CoN催化剂之间适当的吸附强度和快速的电子转移。研究结果也表明,纳米线阵列结构消除了传统复合电极中粘接剂和添加剂的影响,充分地利用了催化活性位点,实现了高效物质传输,并且提供了容纳不溶放电产物的充足空间。从而,CoN纳米线阵列氧气电极实现了低至1.01V的总极化过电位和3.35 mA cm-2的高面容量。作者认为,电子结构和电极构型的组合设计策略为金属空气电池中高性能空气电极的研发提供了一种潜在的新思路。