鋰空氣電池因具有超高的理論能量密度而被認為是電動汽車的潛在動力電源。鋰氧電池的放電產(chǎn)物過氧化鋰（Li2O2）具有絕緣、不溶的特性，因此，隨著放電的進行，電極表面會逐漸被其鈍化而導致放電終止。大尺寸Li2O2的生成有助于延緩正極表面的鈍化、延長放電時間、提高電池容量。然而，大尺寸Li2O2在電極表面往往隨機散落，難以保證其與電極材料之間的有效接觸，從而限制了電池的倍率性能和能量效率。因此，亟需實現(xiàn)大尺寸Li2O2在電極材料中的嵌入式生長。

中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室研究員閻興斌課題組與羰基合成與選擇氧化國家重點實驗室、吉林大學相關(guān)研究人員合作，通過匹配不同放電特征的金屬氧化物，設(shè)計了自支撐的碳紙-二氧化錳-四氧化三鈷（CP-MnO2-Co3O4）復合電極，研究了電極材料在放電過程中的協(xié)同放電機制，實現(xiàn)了大尺寸放電產(chǎn)物的嵌入式生長。

研究人員首先研究了單一金屬氧化物的放電特征。研究發(fā)現(xiàn)，單晶α-MnO2納米棒放電時優(yōu)先吸附Li+，而且其主暴露面(020)和(110)對超氧化鋰（LiO2，放電中間產(chǎn)物）的吸附能十分相近，這可促進Li2O2經(jīng)MnO2表面快速、均勻成核，并誘導顆粒狀Li2O2的生成；多晶的Co3O4納米片放電過程中優(yōu)先吸附O2，其不同晶面對LiO2吸附能相差較大，促使Li2O2經(jīng)Co3O4表面和電解液同時成核，并最終同時生成膜狀和片層放電產(chǎn)物。

基于以上研究結(jié)果，研究人員通過電化學沉積法將Co3O4納米片負載于α-MnO2納米棒陣列上，一方面顯著增加了Co3O4納米片陣列的沉積高度，提高了其比表面積，延長了放電時間；另一方面，放電時Li2O2可在α-MnO2表面優(yōu)先快速成核，使α-MnO2作為Li2O2的成核位點并誘導后續(xù)Li2O2的生長，達到Li2O2從復合電極內(nèi)部生長和延緩Co3O4表面鈍化的雙重效果。

該復合電極的設(shè)計實現(xiàn)了α-MnO2和Co3O4電極材料在放電過程中的協(xié)同效應(yīng)，實現(xiàn)了大尺寸Li2O2在電極框架中的嵌入式生長。與單金屬氧化物電極電池相比，使用該電極的電池展現(xiàn)出了更高的比容量（～100mAg-1時，比容量為4850mAhg-1，是同條件下α-MnO2和Co3O4電極的3倍以上）、倍率性能（600mAg-1時，比容量仍在3500mAhg-1以上）和更加優(yōu)異的循環(huán)性能（限定容量為1000mAhg-1時，可穩(wěn)定循環(huán)50次以上）。該研究工作近期在線發(fā)表在AdvancedScience上。

以上工作得到了蘭州化物所“一三五”重點培育項目、國家自然科學基金的資助和支持。