昆明理工大学梁风教授、德国伊尔梅瑙工业大学雷勇教授，AEM: 一种可高效分解金属空气电池中固体放电产物的一体化固态阴极设计方法

第一作者：许博文，张达，彭超

通讯作者：梁风*，雷勇*

单位：昆明理工大学，德国伊尔梅瑙工业大学

随着环境和能源问题的日益突出，清洁可再生电化学储能技术得到了广泛的研究和发展。准固态金属-空气电池由于高的能量密度和优异安全特性受到广泛关注。然而，由于不溶性放电产物与阴极之间的有限接触，使得放电产物无法充分分解。在电池工作过程中，放电产物逐渐累积在阴极表面，阻塞氧气传输通道，电池寿命受到极大限制。因此，迄今为止准固态金属-空气电池的循环寿命都很难实现1000 小时的应用标准。

本文以准固态Na-Air电池为例，设计了一体化固态阴极（Gel-Tempo），它能有效分解不溶性放电产物（对于Na-Air电池为Na₂O₂产物）。实验和密度泛函理论计算表明，Gel-Tempo中的Tempo能显著降低Na₂O₂分解反应的吉布斯自由能，高Tempo含量更有利于提高Na₂O₂的分解动力学。基于Gel-Tempo的准固态Na-Air电池表现出出色的空气稳定性和催化活性，在环境空气中循环寿命超过1746小时(72天)。所设计的凝胶通过阳离子-π电子相互作用吸附氧化还原介质为金属空气电池中一体化固态阴极设计提供了新的思路和方法，为氧化还原介质在Na-Air电池中的应用提供了基础。

Gel-Tempo 阴极是由 Tempo、离子液体、碳纳米管之间的阳离子-π 电子相互作用而合成。其中，Tempo 更倾向于在碳纳米管的表面进行平行吸附。

Gel-Tempo 阴极不仅具有良好的界面相容性、阻燃性和对空气的高稳定性，而且还具有优异的电催化活性。实验和密度泛函理论计算表明，在放电过程中，Tempo 的引入没有改变Gel-Tempo阴极的 ORR 反应。而在充电过程中，Tempo 增加了 Na₂O₂ 分解反应的接触面积，降低了OER反应能垒，从而提高了放电产物Na₂O₂的分解效率。

准固态 Na-Air 电池失效后，放电产物由包裹Na₂CO₃外壳的Na₂O₂组成。因此，Na₂O₂的Na₂CO₃外壳成为影响Gel-Tempo基准固态 Na-Air 电池寿命的关键因素。

Gel Adsorbed Redox Mediators Tempo as Integrated Solid-State Cathode for Ultra-Long Life Quasi-Solid-State Na–Air Battery

梁风 教授 简介：昆明理工大学教授，博士生导师，国家高层次人才计划青年人才入选者，冶金与能源工程学院副院长，日本九州大学客座教授，中国科学院深圳先进技术研究院客座研究员，2014年博士毕业于日本东京工业大学。从事高能量密度电池及材料、等离子体制备与改性能源材料、碳基新材料等方面的研究。以第一/通讯作者在Nat. Commun.，Adv. Energy Mater., Mater. Today, Adv. Funct. Mater.等学术期刊上发表论文80余篇；主持国家自然科学基金、科技部重点研发计划子课题、国防科技173计划项目、云南省重点基金等科研项目16项。

雷勇 教授 简介：德国伊尔梅瑙工业大学教授，应用纳米物理研究团队负责人。2001年在中国科学院获得博士学位。2001-03年在新加坡－麻省理工学院联盟进行博士后研究。2003年作为洪堡学者在德国卡尔斯鲁厄理工大学工作，2006-09年在德国明斯特大学担任研究团队负责人和青年教授。2011年至今在德国伊尔梅瑙工业大学担任终身正教授。主要专注于功能纳米结构在能源存储和转换中的研究，在有序纳米结构、钾离子和钠离子电池等领域享有研究盛誉。目前已发表SCI论文292篇，包括8篇Nature子刊，影响因子大于20的论文31篇，因子9-20的121篇，引用超过2万次（H-index 76）。雷勇教授作为项目负责人获得了2项欧洲研究理事会（ERC）重大研究项目、以及德国联邦教育与研究部（BMBF）和德国研究基金会（DFG）等多项研究项目（共超过750万欧元）。目前担任多个国际刊物的编委会成员：Advanced Energy Materials（因子27.8）编委；Energy & Environmental Materials（因子15.0）副主编；Science China Materials（因子8.1）编委；InfoMat（因子22.7）编委；Carbon Energy（因子20.5）编委；Journal of Semiconductors（因子5.1）副主编。

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