胡良兵团队：用木头制造“会呼吸”的正极

随着锂离子电池成熟化和工业化，研究者们纷纷把注意力转向下一代电池的开发上，其中锂-氧气/空气电池因具有比传统锂电池高出约十倍的理论容量和能量密度，从而成为广泛关注的热点之一。锂氧电池中正极的构造至关重要，它直接决定着锂离子传输动力学、电子传导、氧气扩散、放电产物的生长等。理想的正极结构需要包含开放型的大孔与丰富的微孔，这利于氧气的传输和放电产物的积累，从而能够赋予锂氧电池优异的电化学性能。

近日，美国马里兰大学的胡良兵（Liangbing Hu）教授（点击查看介绍）课题组从自然界中木头的层级多孔结构中获得启发，通过碳化并活化的木材（CA-wood）为载体，得到了三维碳基集流体。同时，通过在其多孔壁的微通道上均匀地负载钌（Ru）纳米颗粒，构筑了高性能的锂氧电池正极复合材料。微孔道的存在，不但有利于氧气的扩散传输，还有利于电解质的浸润，增加Ru催化剂的活性位点，提高了锂氧电池的储能性能。电化学测试中，该复合材料（厚度约700 μm）为正极的锂氧电池比容量可以达到8.58 mA h cm^-2（电流密度0.1 mA cm^-2）。该论文发表在Advanced Energy Materials 杂志上，第一作者是Huiyu Song博士。

天然木材的结构截面图。图片来源：Adv. Energy Mater.

胡良兵教授实验室的研究领域包括纳米材料在能源与柔性电子领域的应用。近几年，他们利用从木材中获得的灵感，直接利用木材天然的微观层级结构构筑能源存储器件、水处理器件和节能型透明木材器件，先后发表了“透明的木材”（Adv. Mater., 2016, 28, 5181-5187），“木材滤膜”（ACS Nano, 2017, 11, 4275-4282，点击阅读详细）等十分有意思的工作。

胡良兵教授。图片来源：University of Maryland

“透明的木材”。图片来源：Adv. Mater.

在本项工作中，研究者采用天然木材作原料。碳化后，木材的微观孔道可以完好的保留下来。这些开放的孔道和微孔结构可以显著促进氧气的渗透，缩短扩散距离。同时，碳化过程产生的二氧化碳具有造孔的作用，进一步增加材料的比表面积和孔隙率，也为负载钌催化剂提供了更多的活性位点，增加催化剂负载量。氧气通过孔道输送进来，发生反应，整个过程很像人类的呼吸，因此作者在文中称这种基于木材的正极“会呼吸”。

木材/钌复合电极锂氧电池示意图，图片来源：Adv. Energy Mater.

这种“会呼吸”的材料在电化学测试中表现出优异的性能。研究者采用700 μm厚的复合材料做正极，在0.1 mA cm^-2的电流密度下，比容量可以达到8.58 mA h cm^-2。研究发现，碳化和活化木材不但可以起到支撑钌催化剂的作用，同时也能提供一定的容量，和催化剂在一起可以互相提高活性，实现“1+1＞2”的效果。同时，该电极具有良好的循环性能，在增加厚度（至3.4 mm）以后，质量比容量也没有明显下降，这表明高能量密度可以通过增厚电极来实现。

电化学性能测试。图片来源：Adv. Energy Mater.

通过对反应机理的进一步研究，也确定了正极的放电产物Li₂O₂附着在多孔微通道壁上。充电时，Li₂O₂会逐渐分解，表现出良好的可逆性。10次循环后没有发现副产物，这也解释了该材料良好的循环性能。

充放电反应过程研究。图片来源：Adv. Energy Mater.

从自然中寻找灵感，将普通常见的材料变成高性能的先进材料，胡良兵教授课题组在这项工作中表现出来的想象力和观察力让人十分叹服。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Hierarchically Porous, Ultrathick, “Breathable” Wood-Derived Cathode for Lithium-Oxygen Batteries

Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701203

导师介绍

胡良兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/35057

（本文由小希供稿）