2018年9月24日
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南京大学现代工学院何平教授、周豪慎教授在锂-氧气电池催化活性金属集流体制备方面取得新进展

近日,南京大学何平教授、周豪慎教授在通过快速激光扫描技术制备了纳米绒毛状缺氧态氧化镍(NiO1-δ)包覆的泡沫镍集流体,该集流体制备技术可应用于高比能量锂-空气电池中。该工作以“A Current Collector Covering Nanostructured Villous Oxygen-Deficient NiO Fabricated by Rapid Laser-Scan for Li-O2 Battery”为题发表在国际知名能源期刊《Nano Energy》上(Nano Energy 51 (2018) 83–90)。论文第一作者是南大现代工学院2017级博士研究生穆晓玮。

由于具备极高的理论比能量,非水锂-氧气电池受到广泛关注。碳基集流体、催化剂以及金属集流体在高充电过电位下易发生腐蚀副反应,严重损害锂-氧气电池的储能效率和寿命。寻求高电位和氧气气氛下性质稳定,并具备较好电子电导的集流体,是锂-氧气电池系统走向实用化需要解决的问题。

南京大学何平教授与清华大学伍晖教授(共同通讯作者)合作,通过快速激光扫描技术制备了纳米绒毛状缺氧态氧化镍(NiO1-δ)包覆的泡沫镍集流体,NiO1-δ覆盖的集流体具有优异的稳定性和一定的电催化活性。在不负载催化剂的情况下,该集流体可达到500 mAh·g-1(以NiO1-δ质量计算)的全充放电比容量和3.84 V的低充电电位。在100次放电-充电循环后,该电池可保持初始容量的73.5%。密度泛函理论(DFT)计算证实,提升的电催化活性主要来源于在NiO中引入的氧空位。氧空位改善了集流体表面的电子电导,同时可以作为活性中心与O2和含氧中间体(如LiO2)结合提高催化活性。这项工作提供了一种快速、简单、适于大批量生产的方法制备锂-氧气电池集流体。此外,通过对不同金属基底进行激光扫描,可以制备一系列具有氧空位的金属氧化物,为电催化和能量转换和储存领域(如金属-空气电池和电解水)制备高催化活性的缺陷金属氧化物提供了新的策略。

本研究得到上海交通大学密歇根学院朱虹教授的大力帮助,并得到国家自然科学基金项目(21673116, 21633003),国家重点研究发展计划(2016YFB0100203),江苏省自然科学基金项目(BK20160068)的支持。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)