浙江工业大学 唐谊平教授，Nano Energy研究：超声辅助增强锂氧电池性能

第一作者：张健力

通讯作者：唐谊平*

单位：浙江工业大学

锂氧（Li-O₂）电池由于其固体放电产物Li₂O₂具有较差的电子和离子传导性和较大的分解障碍，将不可避免地积聚在阴极上，阻碍了离子和O₂的传输，钝化了阴极的催化部位。

由此产生的缓慢的氧还原/进化反应（ORR/OER）动力学将带来高过电位和低循环稳定性，限制了Li-O₂电池的实际商业可行性。基于引入外场辅助改善Li-O₂电池性能的可行性，以及超声波对电化学反应的积极干预，本工作提出了超声波辅助改善Li-O₂电池充电性能的相关研究。

基于此，来自浙江工业大学的唐谊平教授，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Ultrasonic-Assisted Enhancement of Lithium-Oxygen Battery”的研究文章。该研究文章提出了一种新的超声波辅助方法来改善Li-O₂电池的性能，通过这种方法可以大大降低充电过电位，并有效改善循环稳定性。这项工作有望为金属空气锂电池的高性能发展提供新的探讨和研究方向。

图1. 超声波充电对Li-O₂电池内部传质过程干预的示意图

研究工作采用具有丰富的层次空间结构的Co₃O₄纳米花作为可视化正极材料，研究了超声波对Li-O₂电池充电电位的影响。在外加超声作用下，Li-O₂电池充电电位明显降低，且抑制效果随超声波条件的变化而显著变化，证实超声充电的引入能有效改善电极的电化学反应。同时，间歇性施加超声充电可以有效抑制Li-O₂电池在循环过程中的过电位升高。

要点二：超声波的加入大大提高了Li-O₂电池的循环性能。

以纳米花状Co₃O₄作为阴极催化剂的Li-O₂电池在超声波充电过程中表现出较低的过电位。在400 mAh g^-1的有限比容量和800 mA g^-1的电流密度下，每20圈超声充电一次，Li-O₂电池的充电电位为4.15~4.2 V，循环寿命可达321 h，而正常循环下，电池的充电电位保持在4.25 V左右，循环寿命仅为64 h。值得注意的是，即使是两次超声充电中间的正常充电，充电电位仍然保持相对稳定，没有明显增加，说明超声波充电对长周期的辅助作用显著。

要点三：超声波加速了Li-O₂电池内部的动力学过程。

非原位SEM和理论模拟结果阐明，超声充电处理有助于电池内部的均匀传质，从而降低电极表面Li⁺和O₂的浓差极化，使正极催化剂的活性位点得到有效暴露，改善反应动力学，促进Li-O₂电池放电产物的快速分解。即使对于一些不可逆的副产物，超声波充电亦有助于减少它们的积累并保护催化剂的活性。

此外，令人欣喜的是，通过对使用不同正极材料的Li-O₂电池开展相关超声充电研究，证明了超声辅助的普适性。超声波充电有望从提升反应动力学的角度出发，为Li-O₂电池的实用化提供一个新的可行性思路。

Ultrasonic-Assisted Enhancement of Lithium-Oxygen Battery

唐谊平简介：教授，工学博士，博士生导师。常年从事金属功能材料、新能源材料、表面工程等方面的研究工作。主持3项国家自然科学基金项目（青年、面上、联合基金重点）、1项浙江省自然科学基金重点项目、3项浙江省自然科学基金面上项目、2项国家博士后基金项目、1项博士后特别资助项目、多项企业重点横向项目等，参与国家“863”、“973”等国家级、省部级等多个科研项目。

以第一和通讯作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、ACS Energy Letters、Nano Energy等国际知名期刊发表学术论文40余篇，第一发明人授权国家发明专利18项。

张健力简介：博士后，主要研究方向为锂基电池电极材料的结构设计及外场辅助下电池性能的提升。主持浙江省自然科学基金1项，博士后面上基金1项。以第一和通讯作者在Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Energy等国际知名期刊发表学术论文10余篇。

投稿请联系contact@scimaterials.cn