近日，南方科技大學材料科學與工程系副教授谷猛課題組聯合物理系教授陳朗課題組和加拿大西安大略大學教授孫學良課題組，在鹼金屬-空氣電池微結構動態變化研究領域取得系列進展，相關成果發表在國際著名雜誌Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、Energy Storage Materials上。

為滿足不斷增長的能源需求並減輕溫室效應，許多科學家致力於發明比常規鋰離子電池更強大且更環保的電池系統。鹼金屬-空氣電池系統具有更高的理論能量密度，具有成為下一代電池系統的潛力。先進電子顯微技術的發展以及環境電鏡（ETEM）的出現，讓研究人員可以在特定氣氛下對材料的生長、結構演變等行為進行觀測研究。配合不同的TEM原位樣品杆，綜合運用電、熱、力和氣氛等環境參量，使奈米電池內部發生的複雜電化學反應的量化分析成為可能。團隊利用原位透射電鏡直觀地在原子尺度動態觀測電池反應，並得到關鍵資訊，簡單明瞭地揭示了電化學反應的過程和工作機理。

Angew. Chem.：電子離子複合導體提升固態鋰-空氣電池動力學

鋰-空氣電池具有超高的理論能量密度，被稱為二次電池中的聖盃，是下一代高比能鋰二次電池的理想選擇之一。然而，鋰枝晶生長和液態電解液可燃性的問題，一直是鋰-空氣電池的重大安全隱患。發展固態鋰-空氣電池可以從根本上提高電池的安全效能。然而由於空氣電極多固態介面的特性，使得功能性的固態空氣電極設計成為固態鋰-空氣電池發展的瓶頸問題。

谷猛課題組聯合孫學良團隊研究了一種採用電子離子複合導體（NCNT@LiTaO3）改善固態空氣電極介面的新策略。採用此複合導體可將固態鋰-空氣電池的“固-固-氣三相介面反應”簡化為“固-氣兩相反應”，進而提高電池的電化學效能。研究團隊透過非原位掃描電鏡表徵發現，在充電過程中，放電產物脫離電子導體或離子導體，導致產物無法完全被分解，降低了電池的庫倫效率。此外，這種“固-固-氣三相介面反應”極大限制了電池的反應動力學，因此研究團隊提出了設計電子離子複合導體，減小電極反應介面數，從而提升電池電化學效能的策略。電化學分析表明，採用此電子離子複合導體，明顯降低了電極的介面電阻，提升了電池的反應動力學，並有效地促進了放電產物的分解效率和電池可逆性。

環境原位電鏡中不同正極材料的空氣電池充放電對比

原位透射電鏡分析表明，放電產物可以在複合導體表面均勻沉積和分解，進一步驗證了從三相反應向兩相反應的轉變。該研究為解決固態空氣電極內的固態介面問題提供了新的思路。

西安大略大學學者趙昌泰和南科大研究助理教授祝遠民是論文第一作者。谷猛、孫學良是論文通訊作者。

ACS Nano:原位研究合金催化劑負載的鈉-氧氣電池正極材料的充放電行為與反應機制

近年來，具有可逆充放電效應的鹼金屬（鋰、鈉和鉀）空氣電池以其極高的理論能量密度，有望成為下一代儲能材料。從Abraham首次演示鋰-氧氣電池的可逆充放電效應之後，該體系便受到了學術界的廣泛研究。而相比於鋰-氧氣電池，鈉-氧氣電池體系製造成本相對低廉，過電位更低，並且有著更高的能量轉化效率。

然而，鈉-氧氣電池體系目前也存在著諸多問題與挑戰，如實際容量有限、迴圈穩定性差、副反應較多等，限制了它的廣泛應用。如果想要解決這些問題，就需要清晰瞭解氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）中發生的複雜電化學轉變。放電產物的形貌、化學成分和相結構等對鈉-氧電池的放電容量和充電過電位起著至關重要的作用。目前，關於鈉-氧氣電池的放電反應中主要產物型別引發了學術界的廣泛爭論，而且氧還原（OER）和氧析出（ORR）過程中高效催化劑的缺乏嚴重影響了金屬-空氣電池的效能發揮、迴圈壽命和其商業化程序。

開發更有效的催化劑將促進放電產物的分解並降低過電位。谷猛團隊分別以Pt摻雜的碳奈米管(Pt@CNT)和Pt0.8Ir0.2摻雜的碳奈米管(Pt0.8Ir0.2@CNT)作為空氣正極端，在球差校正的環境電鏡內部通入O2氣體環境，構建了鈉-氧氣奈米電池，原位觀察了放電/充電產物的形貌演變及其相的差別。在研究中，谷猛團隊在球差校正實驗裡確定了不同正極支撐材料的鈉-氧氣電池的反應途徑和形貌演變。在放電過程中，Na+離子透過固體電解質與O2反應，形成NaO2相。隨後，隨著O2的釋放，部分NaO2歧化成Na2O2，併產生空心球結構的放電產物。充電後，隨著球體的收縮和殼層的塌縮，Na2O2空心粒子逐漸被分解為奈米顆粒，並在催化劑作用下完全分解。研究團隊利用原位選區衍射（SEAD）等技術進行的微觀結構轉變和化學成分分析，論證了整個充放電過程的電化學反應細節。團隊的研究成果可以為深入研究鈉-空氣電池的電化學催化反應過程與機理提供研究思路，併為今後最佳化設計鈉-氧氣電池體系提供重要參考。

祝遠民為論文第一作者，谷猛是論文通訊作者，南科大為唯一通訊單位。

Energy Storage Mater.:原位研究單原子催化劑催化鈉-二氧化碳空氣電池微觀演化機制

金屬-CO2電池的效率可以提高到與Li-O2電池比擬或者更高的水平。此外，金屬-CO2電池中二氧化碳的消耗也有助於緩解全球變暖危機以及溫室效應。谷猛團隊發明了新型有效的催化劑-Pt單原子修飾的氮化碳奈米管（Pt-SA@NCNT），可以可逆地催化金屬-CO2電池的反應。團隊藉助環境球差透射電鏡以及原位充放電樣品杆，在CO2氣氛下對Na-CO2電池的充放電行為進行了研究，原位確認了放電/充電產物的形貌演變和電化學反應機理。

研究發現，在放電過程中，Na+離子透過固體電解質與CO2反應，形成球狀Na2CO3相，在反應的過程中也有非晶C的出現，在NCNT內部也有反應產物的生成。充電後，隨著球體的收縮，Na2CO3逐漸分解為Na以及CO2。透過與純NCNT作為正極的空氣電池相比，Pt單原子催化劑可以明顯加快反應的速度。團隊的工作成果可以為深入研究鈉-二氧化碳電池的電化學催化反應過程與機理提供研究思路，併為今後最佳化設計鈉-空氣電池體系提供重要的參考。

祝遠民和馮世輝為論文第一作者，谷猛是論文通訊作者，南科大為論文唯一通訊單位。

文章連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202014061

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b07961

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.07.019