(記者謝詩涵) 日前，南京工業(yè)大學陳宇輝教授課題組聯(lián)合上海大學施思齊教授以及奧地利科學技術(shù)學院Stefan A. Freunberger教授，發(fā)現(xiàn)通過改變鹽濃度或者溶劑，可以極大提高絕緣體的電化學速率，并研究發(fā)現(xiàn)了其背后的機理。研究成果近日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《自然催化》上。

 

帶有絕緣體的電化學是未來電池技術(shù)如鋰-氧電池、鋰-硫電池的特征和主要困難。它們在這方面不同于當前的插層電池(如鋰離子電池)，主要依靠離子(脫)嵌入來平衡混合導電固體的氧化還原電荷。鋰-氧電池在放電或充電期間將溶解在電解質(zhì)中的O_2相互轉(zhuǎn)化為固態(tài)絕緣過氧化鋰。鋰-硫電池可將固態(tài)絕緣S_8和硫化鋰相互轉(zhuǎn)化。這些過程中的動力學瓶頸是電極與絕緣、不溶性、固體存儲材料之間的電荷轉(zhuǎn)移，即使在低倍率下也會導致高過電位和不完全轉(zhuǎn)化。

 

“我們通過實驗發(fā)現(xiàn)，用碘化鋰作為氧化還原媒介體催化劑，在與絕緣物質(zhì)比如過氧化鋰反應時，存在一個突變電位。”論文第一作者、南京工業(yè)大學博士生曹德慶介紹，當媒介體電位低于突變電位時，氧化還原媒介體與絕緣物質(zhì)反應的動力學較慢，當電位僅高于突變電位少許時，氧化還原媒介體與絕緣物質(zhì)反應的動力學會突然加快。“而通過改變鋰離子濃度或者改變?nèi)軇涂梢哉{(diào)節(jié)媒介體電位的變化。”

 

“經(jīng)過深入研究，我們發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象不僅在碘化鋰中存在，在其他媒介體與過氧化鋰反應過程中也存在，并且這個結(jié)論還可以延伸到除了鋰-氧電池的其他電池體系，例如鋰-硫電池。”陳宇輝說，這種現(xiàn)象與所選用的氧化還原媒介體及電解質(zhì)的類型無關，“經(jīng)過進一步研究，我們發(fā)現(xiàn)突變電位存在的原因，其實是與絕緣物質(zhì)的晶面有關。因為絕緣物質(zhì)比如過氧化鋰等是多晶面的，媒介體的電位應該超過主導晶面所需的最低過電勢。”

 

“課題組的研究得到了材料化學工程國家重點實驗室及南工大能源科學與工程學院的大力支持，這一研究成果為鋰-氧和鋰-硫電池體系選擇媒介體提供了一種新的思路，為未來研究媒介體催化劑提供了一個新的依據(jù)。” 陳宇輝表示，研究成果也會促進鋰-氧電池和鋰-硫電池的工業(yè)化進程，為替代目前商業(yè)化的鋰離子電池提供了更多選擇，進一步加快大型儲能系統(tǒng)例如新能源電動車等的發(fā)展進程。