液膜厚度

非质子锂空气电池电解质的润湿行为

通过开放式电池设计将阴极与空气连接起来的必要性与开发挑战有关。首先，锂金属与水反应剧烈，因此需要非水电解质。此外，需要通过透气但防水的膜和阳极侧的无水电解质来避免潮湿。因此，大多数研究都是在完全非水系统上进行的，其中有机电解质用于阳极和阴极侧。然而，有机电解质面临着自身的挑战。由于大多数气体扩散电极 (GDE) 针对水基电解质进行了优化，并使用聚四氟乙烯 (PTFE) 作为非润湿/疏水粘合剂，因此了解有机电解质如何与这些 GDE 相互作用是必要的。多孔系统内的非润湿区域对于提供存在气体、电解质和活性材料的多个三相接触点至关重要。液体用薄膜覆盖活性区域，确保离子传输到活性位点，而非润湿区域确保气体正确传输到活性区域。图 1 显示了 PTFE 附近的水基电解质膜的示意图，以及电流密度与电极表面液膜厚度之间的关系。在 PTFE 附近，仅形成一层薄液膜，阻碍了离子传输（橙色区域）。在电解质层较厚或孔隙被淹没的另一侧，氧气向活性侧的扩散受到长扩散路径的阻碍（黄色区域）。液体中氧气扩散缓慢会导致浓度过电位增加。在这两个区域之间，离子传输和氧气扩散长度之间的最佳平衡可产生最大电流密度（绿色区域）。如果使用具有优异润湿性能的电解质，则绿色区域中的三相区域会减少，多孔系统的电化学性能会降低。最终，完全淹没的电极（几乎所有活性位点都被液体覆盖）会导致性能不佳。[2] 此问题尤其会出现在表面张力低的有机液体中。[3] Wagner 等人研究了缓慢增加电解质渗透的影响。对于碱性燃料电池，他们观察到 PTFE 分解，因此多孔系统内部疏水区域会损失。这降低了三相边界的厚度，5000 小时后电化学性能损失 12-15%