超过最佳碳阴极性能，一种新型多孔碳片

锂空气电池，有时也被称为锂-氧电池（Li-O₂），包括锂金属阳极、有机电解质和多孔碳阴极。在放电过程中，周围空气中的氧气与阴极处的锂发生反应，释放能量。由于其极高的能量密度（> 3500 Wh kg^-1），Li-O₂电池有望在为能源安全生成更环保的能源方面引领前进。

然而，由于特殊设计的碳阴极缺乏某些特性，该技术的进展一直受阻。具体来说，这就是丰富的化学反应活性位点和足够容纳放电产物成核和生长的空间，是实现高能量密度所必需。

来自东北大学及其合作伙伴的研究人员已经开发出一种特殊类型的多孔碳片，称为石墨烯介孔海绵片（GMS-sheet），显著提高了Li-O₂电池的能量密度和循环稳定性，树立了高性能的标准。相关研究成果以“Hierarchically Porous and Minimally Stacked Graphene Cathodes for High-Performance Lithium–Oxygen Batteries”为题，11月10日发表于《Advanced Energy Materials》。

东北大学先进材料研究所（WPI-AIMR）教授、论文的共同通讯作者之一Hirotomo Nishihara表示：“对碳阴极进行多孔结构的合理设计对于实现高性能至关重要，但也是一个重大挑战。我们创造性地开发了一种从埃至毫米可控合成独立阴极的方法，其中石墨烯不受边缘位点的影响。”

为此，Nishihara及其同事在化学气相沉积（CVD）过程中合理控制了三个合成参数：压块力、Al₂O₃模板量和CVD持续时间。这样做产生了一系列具有不同孔隙率、碳层量和片厚度的GMS片。

“有趣的是，使用GMS-片阴极的Li-O₂电池的比容/面积容量可以通过这三个合成参数来控制，” 东北大学先进材料研究所（WPI-AIMR）助理教授、论文的共同通讯作者之一Wei Yu表示。他继续说道：“通过优化这些参数，我们激动地实现了令人瞩目的能量存储容量，超过了最佳碳阴极的性能，分别为每克超过6300毫安时和每平方厘米超过30.0毫安时，当归一化到GMS-片的质量和面积时。”

“在国家材料研究所、御茶水女子大学、北海道大学、大阪大学和3DC公司的合作伙伴的帮助下，我们使用全面的原位技术对放电-充电机制进行了表征，并揭示了卓越电池性能的关键：GMS-片的分级多孔结构。”

Nishihara教授及其团队认为GMS-片将成为Li-O₂电池的里程碑式碳阴极。“我们将继续推动基于我们的GMS-片的Li-O₂电池的实际应用，我们的研究领域还涵盖其他金属-气体电池，如Na-O₂、Li-CO₂和Zn-O₂电池，这些电池同样需要高性能的碳阴极，” Nishihara总结道。

图1. 理想碳阴极的示意图和合成。

图2. GMS-sheet 的结构可控性。

图3. GMS 片的完全放电-充电测量。

图4. GMS片中Li₂O₂形成和分解的机理研究。

图5. Li-O₂电池中GMS片的循环稳定性。

原文：https://doi.org/10.1002/aenm.202303055