The problem of high charge polarization is one of the most significant challenges in current nonaque-ous lithium-oxygen ($Li-O_2$) batteries. The development of oxygen electrode which reduces oxygen evolution reaction (OER) overpotential is thus essential to remedy this problem. Here, we suggest a binder-free electrode based on Co nanoparticles-embedded carbon nanofibers (Co-CNFs), which simultaneously reduces the charge and discharge polarization and greatly extends cycling stability more than six fold. The Co-CNF low-ers discharge polarization because of an enhanced oxygen reduction reaction (ORR) activity compared to the Co-free CNF. Even though the embedment of Co does not enhance OER catalytic activity, it significantly reduces charge overvoltage by forming easily decomposable discharge product, amorphous $Li_2O_2$. A mecha-nism for the amorphous $Li_2O_2$ formation was suggested in terms of charge delocalization induced by the Co NPs. The findings suggest a novel electrode design strategy of combining inexpensive metal nanoparticles and carbons for modulating the phase structure of discharge products.
높은 충전 과전압은 현재 유기계 리튬-공기 전지의 가장 큰 문제 중 하나이다. 이 문제를 해결하기 위해서 산소 생성 반응의 과전압을 줄일 수 있는 효과적인 공기 전극을 개발하는 것이 필수적이다. 따라서 우리는 공기 전극으로 결착제를 포함하지 않는 코발트 나노 입자를 담지한 탄소 나노 섬유를 제안하였다. 이 공기 전극은 충전과 방전의 과전압을 동시에 감소시킬 뿐만 아니라 리튬-공기 전지의 사이클 수명을 6배 이상 향상시킬 수 있다. 코발트를 담지한 탄소 나노 섬유는 코발트를 가지지 않는 탄소 나노 섬유에 비해 큰 산소 환원 반응 촉매 활성를 가지기 때문에 방전 과정에서 효과적으로 과전압을 낮출 수 있다. 담지된 코발트 입자는 산소 생성 반응에 대한 촉매 활성은 없음에도 불구하고, 방전시 쉽게 분해될 수 있는 비결정성의 리튬 과산화물이 형성하기 때문에, 충전 과정의 과전압 또한 크게 감소된 결과를 보여준다. 우리는 비결정성의 리튬 과산화물이 만들어지는 반응 기작을 코발트 나노 입자의 도입에 따른 전하 비국지화를 이용해 설명하였다. 이를 통해 우리는 저렴한 금속과 탄소를 이용해 방전 생성물의 상 구조를 조절할 수 있는 새로운 종류의 전극 구조 설계의 방향을 제시하였다.
