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張新波/黃崗AM：周期性改變電解液層厚度的旋轉陰極，實現高倍率性能鋰-氧氣電池！

第一作者：Yu-Long Liang, Yue Yu

通訊作者：張新波，黃崗

通訊單位：中科院長春應化所

論文速覽

鋰-氧氣電池（LOBs）以其高理論比能密度而備受關注，但由于質量傳輸緩慢導致的倍率性能差，限制了其實際應用。

本研究設計了一種帶有周期性改變電解液層厚度的旋轉陰極，通過解耦鋰離子（Li⁺）和氧氣（O₂）的最大傳遞速率，顯著提高了LOBs的倍率性能。旋轉陰極使LOBs能夠在2.5 mA cm?2的電流密度下進行58個循環，并在7.5 mA cm?2的高電流密度下穩定放電，同時展現出6.8 mAh cm?2的大放電容量，容量衰減隨電流密度增加而顯著減緩。

此外，這種旋轉電極在涉及氣-液-固三相界面的其他電化學池中具有潛在應用價值，為增強此類系統中的質量傳遞提供了可行方法。

圖文導讀

圖 1：展示了自制LOB的示意圖和O₂傳遞過程。(a) 自制LOB的示意圖，(b) O₂傳遞過程的示意圖，(c) 不同電解液層厚度LOB的線性掃描伏安（LSV）曲線。

圖 2：旋轉LOB的設計與制造。(a) 組裝和(b) 拆卸示意圖，(c) 傳統扣式電池和旋轉電池的電化學阻抗譜（EIS），(d) 電池工作原理示意圖。

圖 3：旋轉電池的電化學性能。(a) 不同轉速下旋轉電池的LSV曲線，(b) 放電至2 V的電池在不同轉速下的LSV曲線，(c) 帶有旋轉和靜止陰極的電池的速率性能比較，(d) 旋轉電池在2.5 mA cm?2電流密度下的循環性能，(e) 10 rpm轉速下電池的放電容量曲線，(f) 0 rpm轉速下電池的放電容量曲線。

圖 4：O₂傳遞路徑的示意圖。(a) 傳統電池，(b) 旋轉電池，(c) 和 (d) 分別是 (b) 中對應區域的放大視圖。

圖 5：不同轉速下電解液厚度的模擬結果。(a) 10 rpm和(b) 50 rpm下的電解液厚度。

總結展望

本研究提出的旋轉陰極設計，通過周期性改變電解液層厚度，有效解決了LOBs速率性能受限的問題。實驗數據顯示，該電池系統在高電流密度下展現出優異的穩定性和大放電容量，且容量衰減較慢。

此外，旋轉電極的設計不僅適用于LOBs，也為其他涉及氣-液-固三相界面的電化學池提供了新的解決方案。未來，通過進一步優化旋轉陰極的設計和電池結構，有望實現更高性能的LOBs，推動其在能源存儲領域的應用。

文獻信息

標題：A Rotating Cathode with Periodical Changes in Electrolyte Layer Thickness for High-Rate Li–O₂ Batteries ?

期刊：Advanced Materials??

原創文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/04/16/6bc17281bb/

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