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張新波/黃崗AM：周期性改變電解液層厚度的旋轉(zhuǎn)陰極，實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(guān)注，但由于質(zhì)量傳輸緩慢導(dǎo)致的倍率性能差，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

本研究設(shè)計(jì)了一種帶有周期性改變電解液層厚度的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)陰極使LOBs能夠在2.5 mA cm?2的電流密度下進(jìn)行58個(gè)循環(huán)，并在7.5 mA cm?2的高電流密度下穩(wěn)定放電，同時(shí)展現(xiàn)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(zhuǎn)電極在涉及氣-液-固三相界面的其他電化學(xué)池中具有潛在應(yīng)用價(jià)值，為增強(qiáng)此類系統(tǒng)中的質(zhì)量傳遞提供了可行方法。

圖文導(dǎo)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(zhuǎn)LOB的設(shè)計(jì)與制造。(a) 組裝和(b) 拆卸示意圖，(c) 傳統(tǒng)扣式電池和旋轉(zhuǎn)電池的電化學(xué)阻抗譜（EIS），(d) 電池工作原理示意圖。

圖 3：旋轉(zhuǎn)電池的電化學(xué)性能。(a) 不同轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)電池的LSV曲線，(b) 放電至2 V的電池在不同轉(zhuǎn)速下的LSV曲線，(c) 帶有旋轉(zhuǎn)和靜止陰極的電池的速率性能比較，(d) 旋轉(zhuǎn)電池在2.5 mA cm?2電流密度下的循環(huán)性能，(e) 10 rpm轉(zhuǎn)速下電池的放電容量曲線，(f) 0 rpm轉(zhuǎn)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(tǒng)電池，(b) 旋轉(zhuǎn)電池，(c) 和 (d) 分別是 (b) 中對應(yīng)區(qū)域的放大視圖。

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

總結(jié)展望

本研究提出的旋轉(zhuǎn)陰極設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該電池系統(tǒng)在高電流密度下展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和大放電容量，且容量衰減較慢。

此外，旋轉(zhuǎn)電極的設(shè)計(jì)不僅適用于LOBs，也為其他涉及氣-液-固三相界面的電化學(xué)池提供了新的解決方案。未來，通過進(jìn)一步優(yōu)化旋轉(zhuǎn)陰極的設(shè)計(jì)和電池結(jié)構(gòu)，有望實(shí)現(xiàn)更高性能的LOBs，推動其在能源存儲領(lǐng)域的應(yīng)用。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：A Rotating Cathode with Periodical Changes in Electrolyte Layer Thickness for High-Rate Li–O₂ Batteries ?

期刊：Advanced Materials??

原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/04/16/6bc17281bb/

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