来源：快猛电池 发布日期：2026-06-04 20:52:59

高效储能关于提高可再生能源利用率至关重要。锂空气（或Li）电池具有极高的比能量容量，使其在大规模使用中极具潜力。但是，其功率遭到碳基电极上过氧化锂（Li2）堆积的制约，这种堆积会阻塞孔隙并导致电极钝化，然后下降放电容量。Li2产品（无论是晶体状还是薄膜状）的形貌会明显影响电池功能，尤其是放电速率和循环稳定性。了解和预测这些结构关于优化电池运转、减少对贵重添加剂（例如或许损害锂阳极的氧化复原介体）的依靠至关重要。本研讨选用集体平衡模型和统计评价办法对锂2电池放电进程中的结晶行为，研讨确认反响物浓度和电池容量是影响该进程的要害因素。研讨结果表明这些变量的相互作用也会影响终究锂2浓度。经过聚集环形形貌特征，本研讨为集体建模办法在了解锂2产品构成进程中的强壮剖析能力供给了重要见地。2电池放电形式。因而，这些研讨成果经过供给操控结晶和提高整体电池功能的战略，有助于推进储能技能的前进。2 crystallization during battery discharge, identifying reactant concentration and battery capacity as key factors influencing the process. The findings reveal that the interaction of these variables also impacts the final Li2O2 concentration. By focusing on the toroid morphology, the study provides valuable insights into how the application of population modeling can be a powerful tool in understanding the formation of the Li2O2 product during LiO2 battery discharge mode. Therefore, these results contribute to advancing energy storage technologies by offering strategies to control crystallization and enhance the overall battery performance.

导言

太阳能和风能等可再生能源因其温室气体排放量低于化石燃料燃烧，成为应对气候危机的重要处理计划。但是，这些电力资源的大规模使用遭到间歇性问题的约束。因而，亟需将高效储能体系与可再生能源发电相结合以应对这些挑战[1,2]。现在，锂离子电池已广泛使用于电子装备范畴，并成为电动轿车与混合动力轿车的干流技能。但是，其有限的能量密度不足以完全满意全球储能需求[3]。在此背景下，锂空气（或称Li-air）电池因其理论能量密度高达3505 Wh/kg（约为传统锂离子电池的10倍）而成为极具前景的替代计划。该电池体系经过金属锂与空气中氧气的可逆电化学反响完成能量存储，其放电产品Li2O2的热力学稳定性使得体系具有本质安全性优势。不过，实践使用中仍存在一系列要害挑战，包括但不限于：正极侧氧复原/分出反响（ORR/OER）动力学缓慢、电解液与锂金属负极的副反响，以及固态反响产品导致的电极钝化问题。近期研讨经过规划分级多孔正极材料、开发新式电解液添加剂（如LiNO3/RuO2复合催化剂）以及构建人工固态电解质界面（ASEI）等战略，明显提高了电池的循环稳定性（>200次）与倍率功能（1 A/g电流密度下容量坚持率达82%）。值得注意的是，2019年Nature Energy报道的三维石墨烯/Co3O4复合正极体系完成了0.21 V的超低过电位，这为下降体系能量损耗供给了新思路。未来研讨应侧重处理氧气交叉浸透引发的锂负极腐蚀问题，同时需树立统一的测试标准以规范功能评价流程——特别是在不同湿度与氧气分压条件下的容量测试数据可比性。电池因其高存储容量[2,4]成为大规模使用中有潜力的替代选择。锂2电池的理论功能可达3500 Wh/kg，是现在比能量容量最高的电化学器材[5,6]，远超锂离子电池（387 Wh/kg）、锌空气电池（1086 Wh/kg）和锂硫电池（2567 Wh/kg）技能[1]。此外，锂电池具有供给高能量功率和可重复充电的潜力[4]。2 battery is in the range of 3500 W.h/kg, being the electrochemical device with the greatest specific energy capacity [5,6], surpassing that of lithium-ion (387 Wh/kg), zinc-air (1086 W.h/kg), and lithium‑sulfur (2567 Wh/kg) technologies[1]. Moreover, the LiO2 battery has the potential to provide high energy efficiency and rechargeability [4].
传统非水（或非质子）锂电池单元由金属锂阳极、隔膜以及填充含锂盐有机电解液的多孔电极组成，该电解液溶解于非质子溶剂中[7]。图1展现了本课题组选用的锂2电池示意图。该多孔电极选用导电材料制备，因其需为O与Li2之间的反响供给电子。不同于依靠插层化学完成循环的传统锂离子电池，锂2细胞根据过氧化锂（Li+) 在放电进程中构成并在充电进程中分解[8]。O2 cells are based on reaction processes in which lithium peroxide (Li2O2) is formed during discharge and decomposed during charge [8].
综上所述，最广为接受的反响机制之一是歧化反响（式4）[9,10]，该反响包括锂阳极氧化生成Li（式1），Li+经过电解质向多孔电极迁移。与此同时，超氧物种O在阴极经过氧复原反响（式2）生成，并能与Li反响构成中间物种氧化锂（LiO），如式3所示。因为LiO不稳定，会歧化构成Li（式4）作为锂的主要放电产品电池[11]。在可逆进程中，即当锂电池处于充电形式时，该锂产品将从头分解为锂和氧如式6所示。O product is decomposed back to Li and O, as indicated in Eq. 6.+2−+22222222+2Li→Li++