在目前研究的新型二次儲能系統(tǒng)中，鋰—氧電池是理論上比能量最高的電池體系。但其放電產(chǎn)物過氧化鋰的絕緣性，阻礙了鋰—氧電池的發(fā)展進程。日前，南京工業(yè)大學陳宇輝教授課題組聯(lián)合上海大學施思齊教授以及奧地利科學家，發(fā)現(xiàn)通過改變鋰鹽濃度或者溶劑，就可以讓絕緣體的電化學速率提高數(shù)倍。研究成果近日發(fā)表在國際權威期刊《自然·催化》上。
與鋰離子電池等插層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不同，未來電池技術如鋰—氧電池、鋰—硫電池會產(chǎn)生絕緣物質(zhì)。鋰—氧電池在放電或充電期間將溶解在電解質(zhì)中的氧氣轉化為固態(tài)絕緣物質(zhì)過氧化鋰。鋰—硫電池可將固態(tài)絕緣物質(zhì)硫和硫化鋰相互轉化。電極與絕緣、不溶性、固體存儲材料之間會發(fā)生電荷轉移，即使在低倍率下也會導致高過電位和不完全轉化。
“我們通過實驗發(fā)現(xiàn)，用碘化鋰作為氧化還原媒介體的催化劑，在與絕緣物質(zhì)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(yè)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(zhì)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(zhì)反應的動力學會突然加快。而通過改變鋰鹽濃度或者改變?nèi)軇涂梢哉{(diào)節(jié)媒介體電位的變化。
“經(jīng)過深入研究，我們發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)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，比如鋰—硫電池。”陳宇輝說，他們發(fā)現(xiàn)突變電位存在的原因，其實是與絕緣物質(zhì)的晶面有關。因為絕緣物質(zhì)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。
“這一研究成果為鋰—氧和鋰—硫電池體系選擇媒介體提供了一種新的思路，為未來研究媒介體催化劑提供了一個新的依據(jù)。”陳宇輝表示，該研究也會促進鋰—氧電池和鋰—硫電池的工業(yè)化進程，為替代目前商業(yè)化的鋰離子電池提供了更多選擇，將進一步加快大型儲能系統(tǒng)例如新能源電動車等的發(fā)展。(記者金鳳 通訊員周偉 王洪洲)
