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陳宇輝/沈炎賓JACS: Li-O2電池放電中的真實反應位點研究

陳宇輝/沈炎賓JACS: Li-O2電池放電中的真實反應位點研究
在追求先進的Li-O2電池時,正極中的真實反應位點決定了其電池性能和催化劑設計。當第一層絕緣Li2O2固體在放電過程中沉積在電極基板上時,隨后的O2還原為Li2O2可能發(fā)生在電極|Li2O2或Li2O2|電解質界面處。該反應機理決定催化劑設計的策略,然而至今它仍然是未知的。
陳宇輝/沈炎賓JACS: Li-O2電池放電中的真實反應位點研究
在此,南京工業(yè)大學陳宇輝教授及中科院蘇州納米所沈炎賓研究員等人使用旋轉環(huán)盤電極(RRDE)來沉積致密的Li2O2薄膜,并用16 O/ 18O同位素標記Li2O2產物。RRDE的高速旋轉將溶液路徑的影響降至最低,它電沉積了厚度約為7 nm的Li2O2薄膜,接近致密Li2O2薄膜的極限。
此外,作者在飛行時間二次離子質譜(TOF-SIMS)研究應用了新的特征信號,其中Li216O2為m/z = 41.0191,Li218O2為m/z = 45.0391,基于此繪制Li2O2分布并探測放電過程中的真實反應位點。
陳宇輝/沈炎賓JACS: Li-O2電池放電中的真實反應位點研究
圖1. Li216O2和Li218O2 的TOF-SIMS光譜和深度分布
研究表明,O2在電極|Li2O2界面(底部路徑)和Li2O2|電解質界面(頂部路徑)都被還原為Li2O2。當電極在16O218O2下放電時,在電極表面識別出 Li218O2|Li216O2|Li218O2 的夾層結構。電極|Li2O2界面是主要反應位點,占整個反應的75%。該過程需要O2通過Li2O2薄膜擴散到電極|Li2O2界面,因此,Li2O2薄膜的性能及其生長機制是決定電池性能的關鍵因素。
不幸的是,這個過程還沒有得到很好的理解,值得付出更多的努力。另一方面,Li2O2|電解質界面的反應也不容忽視。通過Li2O2層的電子傳輸,在Li2O2產物的上表面仍有一小部分O2被還原。這部分反應超出了普通催化劑所能達到的范圍,需要在未來的工作中進行更多的研究。
陳宇輝/沈炎賓JACS: Li-O2電池放電中的真實反應位點研究
圖2. 四個RRDE樣品的TOF-SIMS深度剖面及放電時的夾層結構
True Reaction Sites on Discharge in Li-O2 Batteries, Journal of the American Chemical Society 2022. DOI: 10.1021/jacs.1c09916

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