通訊員 周偉 王洪洲 科技日報記者 金鳳
在目前研究的新型二次儲能系統中，鋰-氧電池是理論比能量最高的電池體系。但在鋰-氧電池的發展過程中，放電產物過氧化鋰的絕緣性是一大難點。日前，南京工業大學陳宇輝教授課題組聯合上海大學施思齊教授以及奧地利科學技術學院Stefan A. Freunberger教授，發現通過改變鹽濃度或者溶劑，就可以極大提高絕緣體的電化學速率，并研究發現了其背后的機理。研究成果近日發表在國際權威期刊《自然—催化》上。
鋰-硫電池和鋰-氧電池氧化還原媒介體與絕緣物質反應動力學突變示意圖。課題組供圖
帶有絕緣體的電化學是未來電池技術如鋰-氧電池、鋰-硫電池的特征和主要困難。它們在這方面不同于當前的插層電池，如鋰離子電池，主要依靠離子脫出或嵌入來平衡混合導電固體的氧化還原電荷。
鋰-氧電池在放電或充電期間將溶解在電解質中的氧氣相互轉化為固態絕緣過氧化鋰。鋰-硫電池可將固態絕緣硫和硫化鋰相互轉化。這些過程中的動力學瓶頸是電極與絕緣、不溶性、固體存儲材料之間的電荷轉移，即使在低倍率下也會導致高過電位和不完全轉化。
氧化還原媒介體與絕緣體反應機理示意圖。課題組供圖
“我們通過實驗發現，用碘化鋰作為氧化還原媒介體催化劑，在與絕緣物質比如過氧化鋰反應時，存在一個突變電位。”論文第一作者、南京工業大學博士生曹德慶介紹，當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反應的動力學較慢；當電位僅高于突變電位少許時，氧化還原媒介體與絕緣物質反應的動力學會突然加快。而通過改變鋰離子濃度或者改變溶劑，就可以調節媒介體電位的變化。
“經過深入研究，我們發現這個現象不僅在碘化鋰中存在，在其他媒介體與過氧化鋰反應過程中也存在，這個結論還可以延伸到除了鋰-氧電池的其他電池體系，例如鋰-硫電池。”陳宇輝教授說，這種現象與所選用的氧化還原媒介體及電解質的類型無關，“經過進一步研究，我們發現突變電位存在的原因，其實是與絕緣物質的晶面有關。因為絕緣物質比如過氧化鋰等是多晶面的，媒介體的電位應該超過主導晶面所需的最低過電勢。”
“課題組的研究得到了材料化學工程國家重點實驗室及能源科學與工程學院的大力支持，這一研究成果為鋰-氧和鋰-硫電池體系選擇媒介體提供了新思路，為未來研究媒介體催化劑提供了新依據。”陳宇輝教授表示，研究成果也會促進鋰-氧電池和鋰-硫電池的工業化進程，為替代目前商業化的鋰離子電池提供了更多選擇，進一步加快大型儲能系統例如新能源電動車等的發展進程。
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