张新波/黄岗AM：周期性改变电解液层厚度的旋转阴极，实现高倍率性能锂-氧气电池！

第一作者：Yu-Long Liang, Yue Yu

通讯作者：张新波，黄岗

通讯单位：中科院长春应化所

论文速览

锂-氧气电池（LOBs）以其高理论比能密度而备受关注，但由于质量传输缓慢导致的倍率性能差，限制了其实际应用。

本研究设计了一种带有周期性改变电解液层厚度的旋转阴极，通过解耦锂离子（Li⁺）和氧气（O₂）的最大传递速率，显著提高了LOBs的倍率性能。旋转阴极使LOBs能够在2.5 mA cm⁻²的电流密度下进行58个循环，并在7.5 mA cm⁻²的高电流密度下稳定放电，同时展现出6.8 mAh cm⁻²的大放电容量，容量衰减随电流密度增加而显著减缓。

此外，这种旋转电极在涉及气-液-固三相界面的其他电化学池中具有潜在应用价值，为增强此类系统中的质量传递提供了可行方法。

图文导读

图 1：展示了自制LOB的示意图和O₂传递过程。(a) 自制LOB的示意图，(b) O₂传递过程的示意图，(c) 不同电解液层厚度LOB的线性扫描伏安（LSV）曲线。

图 2：旋转LOB的设计与制造。(a) 组装和(b) 拆卸示意图，(c) 传统扣式电池和旋转电池的电化学阻抗谱（EIS），(d) 电池工作原理示意图。

图 3：旋转电池的电化学性能。(a) 不同转速下旋转电池的LSV曲线，(b) 放电至2 V的电池在不同转速下的LSV曲线，(c) 带有旋转和静止阴极的电池的速率性能比较，(d) 旋转电池在2.5 mA cm⁻²电流密度下的循环性能，(e) 10 rpm转速下电池的放电容量曲线，(f) 0 rpm转速下电池的放电容量曲线。

图 4：O₂传递路径的示意图。(a) 传统电池，(b) 旋转电池，(c) 和 (d) 分别是 (b) 中对应区域的放大视图。

图 5：不同转速下电解液厚度的模拟结果。(a) 10 rpm和(b) 50 rpm下的电解液厚度。

总结展望

本研究提出的旋转阴极设计，通过周期性改变电解液层厚度，有效解决了LOBs速率性能受限的问题。实验数据显示，该电池系统在高电流密度下展现出优异的稳定性和大放电容量，且容量衰减较慢。

此外，旋转电极的设计不仅适用于LOBs，也为其他涉及气-液-固三相界面的电化学池提供了新的解决方案。未来，通过进一步优化旋转阴极的设计和电池结构，有望实现更高性能的LOBs，推动其在能源存储领域的应用。

文献信息

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

期刊：Advanced Materials

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张新波/黄岗AM：周期性改变电解液层厚度的旋转阴极，实现高倍率性能锂-氧气电池！

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