容量超3万mAh/g！厦门大学董全峰团队，新发AM！

第一作者：Zongqiang Sun，Xiaodong Lin，Chutao Wang

通讯作者：董全峰，郑明森

通讯单位：厦门大学

董全峰，厦门大学特聘教授，博士生导师，中国电池工业协会常务理事。长期从事电化学储能系统及关键储能材料研究，主持重大项目、国家“973”计划课题、国家“863”计划项目、国家自然科学基金重点项目、省重点项目、厦门市重大专项等项目的研究。

论文速览

锂-氧（Li-O₂）电池以其极高的理论能量密度而闻名，作为未来电子设备开发的主要候选产品受到了极大的关注。然而，实际测试经常产生令人不满意的容量，因为它们的固相放电产物倾向于覆盖电极表面上的活性位点。优化这些固相产物的生长机制并解决存储问题以缩小实际容量和理论容量之间的差距是锂-氧电池开发的核心挑战。

本论文提出了一种新型的氟掺杂双金属钴镍氧化物（CoNiO₂–_xF_x/CC）作为锂-氧气（Li–O₂）电池的氧电极。与传统的氧化物电极相比，该材料具有交错催化表面（ICS）和类似玉米芯的开放结构，显著提升了Li–O₂电池的电化学性能。该材料通过优化固体放电产物Li–O₂的生长机制和存储问题，缩小了实际容量与理论容量之间的差距，解决了Li–O₂电池发展中的核心挑战。

实验结果表明，采用CoNiO₂–_xF_x/CC作为正极的Li–O₂电池展示了高达30923 mAh g^–1的比容量和超过580个循环的使用寿命，超越了大多数报道的基于金属氧化物的正极材料。

图文导读

图1：氟掺杂双金属钴镍氧化物氧电极（CoNiO₂–_xF_x/CC）的设计原理，具有交错催化表面（ICS）和开放的玉米芯状结构。

图2：CoNiO₂–_xF_x/CC氧电极的合成过程示意图。

图3：CoNiO₂/CC和CoNiO₂–_xF_x/CC氧电极的X射线光电子能谱（XPS）分析。

图4：Li–O₂电池在不同电流密度和截止容量下，使用CoNiO₂/CC和CoNiO₂–_xF_x/CC氧电极的电压曲线和循环性能对比。

图5：放电和充电后CoNiO₂–_xF_x/CC氧电极的XRD图谱、Li 1s和C 1s XPS光谱，以及恒流放电/气体消耗速率和恒流充电/气体演化速率的测试结果。

图6：两种电极在充放电过程中的微观结构演变。

总结展望

本研究成功构建了具有交错催化表面（ICS）和玉米芯状开放结构的氟掺杂双金属钴镍氧化物（CoNiO₂–xFx/CC）氧电极，显著提升了Li–O₂电池的电化学性能。该材料通过独特的“竞争吸附催化机制”，有效改变了Li2O₂的形成机制，从沿着电极表面生长的薄膜转变为颗粒状，显著减轻了电极表面钝化问题。此外，其独特的结构设计促进了氧气的扩散、吸收和释放，以及Li2O₂的存储和分解。这些发现为未来Li–O₂电池氧电极的优化提供了新的见解，并为高性能金属-空气电池的发展铺平了道路。

文献信息

标题：Constructing an interlaced catalytic surface via fluorine-doped bimetallic oxides for oxygen electrode processes in Li–O₂ batteries

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.202404319