西安交大王嘉楠&延卫&东华大学廖耀祖&萨里大学杨凯Carbon Energy综述 ：静电纺丝工程用于高性能锂气体电池电极设计

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论文信息

论文标题：Electrospinning engineering of gas electrodes for high-performance lithium–gas batteries

文章研究方向：电催化、锂金属电池— —锂二氧化碳电池、静电纺丝、气体电极设计

论文网址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.572

DOI: 10.1002/cey2.572

研究背景

全球经济发展对自然资源的快速消耗引起了人们对能源短缺和环境恶化的广泛关注。目前，大量的研究致力于探索清洁能源解决方案，以促进社会的可持续发展。近年来，以锂金属为负极，以各种气源（如O₂、CO₂、SO2等）为反应物的锂气体电池（LGBs）因其极高的能量密度和潜在的多用途增值化学处理能力而备受关注。然而，与传统锂离子电池中的插层反应相比，LGBs中的气－液－固三界面反应要更加复杂，这导致其实际应用仍未达到最初的高性能期望。虽然锂金属腐蚀、电解质稳定性和隔膜堵塞等多种因素会影响LGBs的整体性能，但气体反应电极的设计和优化在提高整体性能方面发挥着关键作用。静电纺丝是一种具有成本效益的技术，能够以较低的能量和材料消耗可控生产大规模和高质量的纳米纤维材料。这些纳米纤维（NFs）的互连多孔结构促进了反应物气体的有效扩散，使它们能够迅速运输到活性部位，促进快速有效的气体转化，是自支撑气体反应电极的潜在优选之一。

成果介绍

西安交大王嘉楠/延卫&东华大学廖耀祖&萨里大学杨凯等人探究了静电纺丝技术在锂气体电池中的应用前景。该工作阐明了锂气体电池的工作原理和应用缺陷，并基于此提出了理想的气体反应电极的关键特性以指导电极的综合设计。随后，作者综述了静电纺丝技术在电极设计方面的研究进展，提出了以静电纺丝碳纤维作为气体电极的系统设计原则，这些设计原则包括正极结构优化、催化剂处理和活化、催化位点优化以及大规模实施的考虑。本文所讨论的电极设计原理及优化策略有望在未来气体电池电极设计中得到广泛应用。文章以“Electrospinning engineering of gas electrodes for high-performance lithium–gas batteries”为题发表在Carbon Energy上。

研究亮点

1. 总结了理想气体反应电极所需具备的物理化学特性，深入分析了结构特性－电化学性能之间的相互关系以及阐述了催化剂和支撑电极结构工程的常用优化策略。

2. 除了简要介绍静电纺丝技术（包括关键原理、操作参数、后处理和LGBs的首选静电纺丝结构）之外，该工作的重点扩展到气体电极的系统设计的全面探索，包括最佳结构制造、催化剂负载和改性、催化位点优化以及大规模实施的考虑。

3. 深入剖析了电纺纳米纤维在LGBs体系中的进一步应用方面面临的挑战，对开发高性能LGBs和其他基于催化剂的能源系统（如锂硫电池、电催化、燃料电池和光电化学）具有深刻指导。

图文解析

研究小结

气体反应电极的设计是实现LGBs实用化的关键。理想情况下，气体电极应具有以下特性：（i）高导电性，（ii）优异的催化活性，（iii）分层多孔结构，（iv）优异的机械和化学稳定性。NFs由于其独特的特性而成为LGBs气体反应电极的优势候选者。它们巨大的比表面积为催化位点和反应产物提供了充足的空间。此外，它们可调谐的分层三维多孔网络减轻了传质阻力，从而促进了气体转化。而静电纺丝技术是一种高效、经济、可扩展地生产纳米纤维的方法。通过控制前驱体、静电纺丝装置和参数，并采用后处理工艺，可以系统地设计和制造各种结构以及负载活性组分。

为电纺纳米纤维在LGBs体系中的进一步广泛应用，可以从以下几个方面进行研究。

1. 合理的孔隙结构设计与深度表征技术；

2. 自支撑正极构建（提升纤维机械强度方法）；

3. 静电纺丝纤维的功能化—探索有效和经济的催化剂负载方法；

4. 更实际应用条件下的电池评估（更大的电流密度、更宽的工作温度、更少的锂金属、合适的电解质等）；

5. 商业生产（高效，大规模生产，环保等）。