記者8日從中國科學技術大學了解到，該校工程科學學院特任教授談鵬團隊首次揭示了鋰氧氣電池多孔電極中伴隨微觀結構變化的電化學與傳質耦合機理，將為新一代電極設計提供指導。研究成果日前以論文形式發表在《先進能源材料》上。
鋰氧氣電池因極高的理論能量密度而具有極大的發展潛力。過氧化鋰作為固體放電產物，一方面堵塞電極孔隙，阻礙低濃度氧氣在多孔電極中擴散;另一方面，鈍化電極表面，造成電子轉移受阻。然而，明確電池失效的根本原因仍具有挑戰性。受限于表征技術和均質模型，目前對于多孔電極內部電化學和傳質耦合機理還缺乏定量認識。
為排除孔連通和分布不均勻性造成的干擾，研究團隊設計并構建了一種傳輸通道陣列排布且定向可控的多孔電極，允許活性物定向傳輸。因此，通道單元的活性物質傳輸路徑、通量，電化學反應界面和產物儲存空間都可以定量。針對通道單元，團隊還構建了非均質的三維瞬態模型，以反映整個電極中電勢場和濃度場的時空分布細節。
聯合實驗和仿真結果表明，多孔電極的傳輸通道尺寸達到臨界值時，將影響鋰氧氣電池的工作機制。此外，該項工作研究首次定量分析了超氧根的分布和擴散特性。在過氧化鋰膜未沉積到極限厚度時，超氧根遵循氧氣分布特點，從氧氣側擴散到隔膜側。當氧氣側的過氧化鋰率先達到極限厚度時，超氧根的濃度分布和擴散方向發生逆轉，由低氧區向高氧區擴散。
研究人員表示，經過實驗驗證，相關結論對于無序孔電極具有普適性和啟發性意義。
