近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員溫兆銀帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在鋰空氣電池電極材料的設(shè)計(jì)和機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員溫兆銀帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在鋰空氣電池電極材料的設(shè)計(jì)和機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。他們針對金屬硫化物的催化惰性，以材料晶體結(jié)構(gòu)修飾為手段，成功制備了具有高度晶格畸變的亞穩(wěn)態(tài)金屬硫化物正極材料，具有潛在的應(yīng)用價值，相關(guān)研究成果于近期發(fā)表于《納米快報(bào)》。

同時，他們還成功揭示了鋰空氣電池中間放電產(chǎn)物在氧空位位點(diǎn)的自催化分解反應(yīng)，放電產(chǎn)物自催化分解現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也可以為未來高效正極的設(shè)計(jì)提供新的思路和解決方案，該項(xiàng)成果于近期發(fā)表《納米能源》。

溫兆銀團(tuán)隊(duì)在前期成功合成定向結(jié)構(gòu)三維二硫化鉬材料的基礎(chǔ)上，采用低溫液相法成功地設(shè)計(jì)了層內(nèi)二硫化鉬/二硒化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過與美國伊利諾伊斯大學(xué)合作進(jìn)行的球差校正掃描透射電鏡分析證明了該層狀材料層間和層內(nèi)高度的晶格畸變，且沿相同晶面呈現(xiàn)間距不規(guī)則的特性。

這種高度畸變的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)能夠顯著提升材料的催化活性。原位透射電鏡揭示了鋰離子在材料結(jié)構(gòu)中的快速穿梭和傳輸。此種高活性的催化劑首次成功地實(shí)現(xiàn)了金屬硫化物在鋰空氣電池中的穩(wěn)定深度循環(huán)，具有潛在的應(yīng)用價值。

同時，經(jīng)過兩年的努力，該團(tuán)隊(duì)還在相關(guān)催化機(jī)理上獲得了突破。他們在成功制備超薄三氧化鉬納米片的基礎(chǔ)上引入氧空位缺陷，在電池的測試過程中，這種富氧空位正極材料呈現(xiàn)獨(dú)特的四個獨(dú)立階段的特征。

針對這四個典型的過程進(jìn)行深入分析發(fā)現(xiàn)，在放電過程中，這些氧空位的活性位點(diǎn)可以形成局部的高濃度活性氧聚集點(diǎn)，與鋰離子發(fā)生反應(yīng)形成穩(wěn)定的超氧化鋰類似物(Li2-xO2)，當(dāng)氧空位逐漸飽和后，在Li2-xO2表面逐漸形成穩(wěn)定的Li2O2放電產(chǎn)物。充電起始階段，Li2-xO2與氧缺陷位點(diǎn)可以作為Li2O2分解的高效催化劑，實(shí)現(xiàn)<3.5V的低充電電壓，而超氧化鋰能夠在~3.5V的電壓平臺快速分解，有效地降低了電池的充電過電勢。

該項(xiàng)成果不僅解釋了氧空位缺陷在Li-O2電池充放電過程中的催化機(jī)理，同時放電產(chǎn)物自催化分解現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)可以為未來高效正極的設(shè)計(jì)提供新的思路和解決方案。相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和上海市科委等項(xiàng)目的資助和支持。

圖1 MoS2/MoSe2材料(002)晶面層間和層內(nèi)晶格畸變的球差電鏡分析和計(jì)算

圖2 MoS2/MoSe2正極的鋰空氣電池電化學(xué)性能

圖3 三氧化鉬納米片表面氧空位位點(diǎn)放電產(chǎn)物自催化分解反應(yīng)機(jī)理