双作用Ni-N/rGO催化剂：显著增强锂-氧电池的性能与效率

来自 实验室仪器网

来自哈尔滨工业大学（深圳）和美因茨约翰内斯古腾堡大学的研究人员创造了一种双功能催化剂材料，解决了Li-O的两个重要限制2电池开发。

锂-氧（Li-O）2电池的能量密度是传统锂离子电池的十倍以上，使其成为电动汽车和大规模储能的有吸引力的选择。但它们也带来了重大挑战：阴极的反应动力学缓慢和锂金属阳极的不稳定。这些问题会导致快速容量损失、高过电位和危险树突的生长。

虽然以前的研究在阴极或阳极方面都取得了进展，但集成解决方案仍然遥不可及。此外，常见的放电副产物，如Li2O2和李2CO3容易堵塞毛孔并降低整体性能。解决这些持续存在的问题需要在整个系统中工作的新材料和策略。

来自哈尔滨工业大学（深圳）和美因茨约翰内斯古腾堡大学的研究人员开发了一种双功能催化剂，解决了Li-O的两个主要障碍2电池开发。

他们的研究发表在eScience上，提出了一种低负载原子镍催化剂（Ni–N/rGO），可在保护锂金属阳极的同时提高阴极反应效率。这种组合方法不仅提高了能源效率和循环寿命，而且还为电荷传输和锂沉积行为提供了有价值的见解，标志着向实用、高性能的Li-O迈出了有希望的一步2电池。

该团队设计了原子级镍位点，包括单个原子和纳米团簇，分散在氮掺杂还原氧化石墨烯（rGO）上。这种名为Ni2–N/rGO的材料对氧还原反应和析出反应（ORR/OER）均表现出优异的催化活性。

与传统阴极相比，新设计的放电容量超过16,000mAhg-1以及超过200次循环的稳定性能。DFT仿真显示，相邻的原子镍位点提高了LiO₂的吸附能力，降低了Li₂O₂击穿的能量势垒，从而将过电位降低到仅1.08V。

超越催化，Ni2–N/rGO兼作锂金属阳极的保护涂层。应用后，它显着减少了枝晶的形成和表面腐蚀，即使在大电流下也能将电池寿命延长至300次循环。

显微镜和阻抗谱证实，保护层保持其结构并支持锂的平稳迁移。使用DEMS和XPS进行的其他分析表明，该催化剂可促进可逆反应，而不会产生有害的副产物。+

通过解决两个电极的关键问题，这种多功能材料展示了原子级工程如何突破Li-O的界限2电池性能。

这项工作意义重大，因为它解决了使用单一材料在锂氧电池中长期存在的两个问题。通过设计原子分散的镍催化剂，同时增强阴极反应动力学并稳定锂阳极，我们展示了通往实用、高性能锂-O₂系统的明确道路。

理论、原位表征和实际循环测试的结合使其成为未来研究的引人注目的框架。

双作用Ni-N/rGO催化剂为Li-O领域长期存在的瓶颈提供了一种可扩展的多功能解决方案2电池设计。它降低极化、抑制枝晶和支持高速循环的能力可以加速下一代电池在电动汽车、便携式设备和电网应用中的推出。

更广泛地说，这项工作背后的原理，原子级材料设计、多功能性和协调电极工程，可能会影响催化、电化学和材料科学的未来发展。即将到来的研究将侧重于改进合成方法、降低成本以及使材料用于其他能源技术。

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