陈宇辉/沈炎宾JACS: Li-O2电池放电中的真实反应位点研究

在追求先进的Li-O₂电池时，正极中的真实反应位点决定了其电池性能和催化剂设计。当第一层绝缘Li₂O₂固体在放电过程中沉积在电极基板上时，随后的O₂还原为Li₂O₂可能发生在电极|Li₂O₂或Li₂O₂|电解质界面处。该反应机理决定催化剂设计的策略，然而至今它仍然是未知的。

在此，南京工业大学陈宇辉教授及中科院苏州纳米所沈炎宾研究员等人使用旋转环盘电极（RRDE）来沉积致密的Li₂O₂薄膜，并用¹⁶O/ ¹⁸O同位素标记Li₂O₂产物。RRDE的高速旋转将溶液路径的影响降至最低，它电沉积了厚度约为7 nm的Li₂O₂薄膜，接近致密Li₂O₂薄膜的极限。

此外，作者在飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）研究应用了新的特征信号，其中Li₂¹⁶O₂为m/z = 41.0191，Li₂¹⁸O₂为m/z = 45.0391，基于此绘制Li₂O₂分布并探测放电过程中的真实反应位点。

图1. Li₂¹⁶O₂和Li₂¹⁸O₂ 的TOF-SIMS光谱和深度分布

不幸的是，这个过程还没有得到很好的理解，值得付出更多的努力。另一方面，Li₂O₂|电解质界面的反应也不容忽视。通过Li₂O₂层的电子传输，在Li₂O₂产物的上表面仍有一小部分O₂被还原。这部分反应超出了普通催化剂所能达到的范围，需要在未来的工作中进行更多的研究。

图2. 四个RRDE样品的TOF-SIMS深度剖面及放电时的夹层结构

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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