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

通訊作者：董全峰，鄭明森

通訊單位：廈門大學

董全峰，廈門大學特聘教授，博士生導師，中國電池工業(yè)協(xié)會常務理事。長期從事電化學儲能系統(tǒng)及關鍵儲能材料研究，主持重大項目、國家“973”計劃課題、國家“863”計劃項目、國家自然科學基金重點項目、省重點項目、廈門市重大專項等項目的研究。

論文速覽

鋰-氧（Li-O₂）電池以其極高的理論能量密度而聞名，作為未來電子設備開發(fā)的主要候選產(chǎn)品受到了極大的關注。然而，實際測試經(jīng)常產(chǎn)生令人不滿意的容量，因為它們的固相放電產(chǎn)物傾向于覆蓋電極表面上的活性位點。優(yōu)化這些固相產(chǎn)物的生長機制并解決存儲問題以縮小實際容量和理論容量之間的差距是鋰-氧電池開發(fā)的核心挑戰(zhàn)。

本論文提出了一種新型的氟摻雜雙金屬鈷鎳氧化物（CoNiO₂–_xF_x/CC）作為鋰-氧氣（Li–O₂）電池的氧電極。與傳統(tǒng)的氧化物電極相比，該材料具有交錯催化表面（ICS）和類似玉米芯的開放結構，顯著提升了Li–O₂電池的電化學性能。該材料通過優(yōu)化固體放電產(chǎn)物Li–O₂的生長機制和存儲問題，縮小了實際容量與理論容量之間的差距，解決了Li–O₂電池發(fā)展中的核心挑戰(zhàn)。

實驗結果表明，采用CoNiO₂–_xF_x/CC作為正極的Li–O₂電池展示了高達30923 mAh g^–1的比容量和超過580個循環(huán)的使用壽命，超越了大多數(shù)報道的基于金屬氧化物的正極材料。

圖文導讀

圖1：氟摻雜雙金屬鈷鎳氧化物氧電極（CoNiO₂–_xF_x/CC）的設計原理，具有交錯催化表面（ICS）和開放的玉米芯狀結構。

圖2：CoNiO₂–_xF_x/CC氧電極的合成過程示意圖。

圖3：CoNiO₂/CC和CoNiO₂–_xF_x/CC氧電極的X射線光電子能譜（XPS）分析。

圖4：Li–O₂電池在不同電流密度和截止容量下，使用CoNiO₂/CC和CoNiO₂–_xF_x/CC氧電極的電壓曲線和循環(huán)性能對比。

圖5：放電和充電后CoNiO₂–_xF_x/CC氧電極的XRD圖譜、Li 1s和C 1s XPS光譜，以及恒流放電/氣體消耗速率和恒流充電/氣體演化速率的測試結果。

圖6：兩種電極在充放電過程中的微觀結構演變。

總結展望

本研究成功構建了具有交錯催化表面（ICS）和玉米芯狀開放結構的氟摻雜雙金屬鈷鎳氧化物（CoNiO₂–xFx/CC）氧電極，顯著提升了Li–O₂電池的電化學性能。該材料通過獨特的“競爭吸附催化機制”，有效改變了Li2O₂的形成機制，從沿著電極表面生長的薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀，顯著減輕了電極表面鈍化問題。此外，其獨特的結構設計促進了氧氣的擴散、吸收和釋放，以及Li2O₂的存儲和分解。這些發(fā)現(xiàn)為未來Li–O₂電池氧電極的優(yōu)化提供了新的見解，并為高性能金屬-空氣電池的發(fā)展鋪平了道路。

文獻信息

標題：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