2023年2月24日，美国圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis）李相霖教授团队在清华大学主办的高起点新刊Nano Research Energy发表题为“Binder-Free Li-O₂ Battery Cathodes Using Ni- and PtRu-Coated Vertically Aligned Carbon Nanofibers as Electrocatalysts for Enhanced Stability”的最新研究成果。

用于锂氧电池的阴极电极材料需要实现电池的高放电容量、强稳定性和长电池寿命，材料的研发一直面临着巨大的挑战。目前已有的阴极材料表面上会生成不必要的中间产物或者不可逆的放电产物，这些中间产物和不可逆产物的形成会限制锂氧电池的寿命。

本研究采用了电化学的方法系统的比较了使用商用碳纳米颗粒和垂直排列的碳纳米纤维 (VACNF)作为锂氧电池阴极材料对电池性能的影响。以这种独特研制的碳纳米纤维作为阴极材料可以避免使用粘结剂并显著改善电池的稳定性以及电容量。采用VACNF之后，电池的电容量密度从3.83 Ah g^-1（Vulcan XC）上升到5.55 Ah g^-1 （VACNF）。同时这项研究采用过渡金属 (Ni) 和贵金属合金 (PtRu) 作为电催化剂沉积在 VACNF上，以进一步改善电池的放电/充电性能。采用PtRu作为电催化剂沉积在 VACNF之后， 电池的放电容量密度又进一步增加到9.07 Ah g^-1（比表面积放电容量为2.62 mAh cm^-2)。

图1. 垂直排列的碳纳米纤维与使用电催化剂涂层（PtRu和Ni）对锂氧电池化学性能的增强。

为进一步理解新型材料提高电池性能的机理，研究团队采用场发射扫描电子显微镜、高分辨率透射电子显微镜和 X 射线光电子能谱 (XPS) 进一步研究所制备材料以及电极的结构。电池的循环稳定性测试表明，与 VACNF-Ni（13 次循环）、VACNF（8 次循环）和 Vulcan XC（3 次循环）相比，VACNF-PtRu 具有更优越的循环稳定性（27 次循环）。正如放电样品 XPS 分析所阐明，VACNF-PtRu 出色的循环稳定性可归因于其在放电循环期间对Li₂CO₃的抑制。同时团队还研究了以碳布或者碳纤维作为VACNF载体对电池性能的影响。

论文信息：

Hassan Zaidi SS, Rajendran S, Sekar A, et al. Binder-free Li-O₂ battery cathodes using Ni- and PtRu-coated vertically aligned carbon nanofibers as electrocatalysts for enhanced stability. Nano Research Energy, 2023, https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120055

DOI：10.26599/NRE.2023.9120055