中国科大谈鹏教授课题组AEM：定量揭示锂氧气电池质-电耦合机理

第一作者：张卓君

通讯作者：肖旭，谈鹏

单位：中国科学技术大学

锂氧气电池因极高的理论能量密度而具有极大的发展潜力。Li₂O₂作为固体放电产物，一方面堵塞电极孔隙，阻碍低浓度氧气在多孔电极中扩散；另一方面，钝化电极表面，造成电子转移受阻。然而，明确谁是导致电池失效的根本原因仍具有挑战性。受限于表征技术和均质模型，目前对于多孔电极内部电化学和传质耦合过程还缺乏定量理解。

近日，中国科学技术大学谈鹏教授课题组在锂氧气电池工作机制研究方面取得最新进展，相关成果以“A Quantitative Understanding of Electron and Mass Transport Coupling in Lithium–Oxygen Batteries”为题发表在国际著名期刊《Advanced Energy Materials》上。该工作设计了一种传输通道高度一致且可控的空气电极，以定量理解锂氧电池的电子和质量输运耦合。结合实验和数值模拟，揭示了传输通道尺寸对锂氧气电池控制机制的关键作用，有助于指导高性能电极设计。

为排除孔连通和分布不均匀性造成的干扰，作者设计了一种通道规则且尺寸可控的碳膜包覆阳极氧化氧化铝（C-AAO）电极。传输通道竖直贯通，允许活性物质（Li⁺，O₂等）定向传输，同时作为放电产物（Li₂O₂）的存储场所。通道内壁的碳膜支持电子转移，并提供电化学活性位点。因此，通道单元的活性物质传输路径、通量，电化学反应界面和产物储存空间都可以定量。针对于通道单元，构建一种非均质的三维瞬态数值模型，以反映整个电极中电势场和浓度场的时空分布细节。

实验和仿真结果联合表明，存在临近孔径r1和r2（r2 > r1）划分锂氧气电池的工作机制：当通道单元直径d低于r2时，氧气传输作为电化学性能的主要控制因素，其耗尽导致了低放电容量。当d处于r1和r2之间时，电子传输的影响逐渐显著，粒径分布发生逆转；氧气侧的局部响应电流受电子传输限制，隔膜侧的局部响应电流受氧气传输限制。当d超过r2，放电结束时，全电极范围的膜状Li₂O₂沉积至极限厚度，电池失效归因于电子转移能力丧失。

在Li₂O₂膜未沉积到极限厚度的情况下，LiO₂遵循氧气分布特点，从氧气侧扩散到隔膜侧。当氧气侧Li₂O₂率先达到极限厚度时，LiO₂的浓度分布和扩散方向发生逆转，由低氧区向高氧区扩散。

经过实验验证，相关结论对于无序孔电极具有普适性和启发性意义。对于微孔电极，提升氧气在电解液中的溶解度和扩散速率是强化电化学性能的有效方式；而对于大孔电极，应通过电极修饰、催化剂设计等途径提升Li₂O₂膜电导率并降低其沉积率，以缓解固-液界面钝化。

A Quantitative Understanding of Electron and Mass Transport Coupling in Lithium–Oxygen Batteries

谈鹏 教授 中国科学技术大学热科学和能源工程系执行主任、博士生导师，工作主要围绕电化学储能系统中具有共性的多场耦合能质传输与转化问题，包括多场耦合传输机理探究、理论模型构建和调控机制研究。入选了中国科学院、安徽省和国家人才计划青年项目。近年来，主持科技部重点研发计划项目课题、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金和企业技术开发项目多项，在PNAS、Energy Environ. Sci.、Prog. Energy Combus. Sci.、Adv. Energy Mater.等知名期刊上发表学术论文140余篇，引用5500余次；授权中国发明专利12项。担任基金委、科技部评审专家和国际学术期刊e-Prime副主编、Energy Reviews编委、Advanced Powder Materials特聘编委和Energy Storage and Saving青年编委。

肖旭 博士后研究员 2022年6月博士毕业于中国科学技术大学，2022年7月入职中国科学技术大学，主要从事锂二氧化碳电池中物质传输与能质转化过程研究。已在PNAS、Adv. Energy Mater.、Appl. Energy、Renew. Sust. Energ. Rev.等权威期刊发表论文20余篇；授权发明专利6项。主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后特助（站前）项目、安徽省自然科学基金青年项目等。

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