Nano Energy观点：基于CoFe2O4/BiFeO3磁致伸缩和压电催化的磁/力耦合场辅助锂氧电池正极催化剂

第一作者：田松林

通讯作者：刘万强*，王焕锋*，徐吉静*

单位：长春理工大学，吉林大学

锂氧电池由于其较高的理论能量密度，在多种存储系统中引起了越来越多的研究兴趣。然而，由于氧还原和氧析出动力学缓慢引起的高过电位阻碍了锂氧电池的发展。近年来，利用光辅助方法提高Li-O₂电池ORR和OER反应动力学的有效策略得到了广泛的研究。然而，在光辅助Li-O₂电池系统中，光的引入通常伴随着电解液的分解，加上光源设备繁琐，能耗巨大，不利于光辅助锂氧电池的实际应用。因此，开发其他的外场辅助是解决锂氧电池高过电位的一种有效策略。

近日，长春理工大学刘万强教授课题组与吉林大学徐吉静教授课题组合作，以CoFe₂O₄/BiFeO₃核壳结构正极为材料，建立了磁致伸缩和压电催化的磁/力耦合场辅助Li-O₂电池。引入外加磁场对CoFe₂O₄产生磁致伸缩应力，根据压电催化机理，利用内置电场产生的压电势能促进压电电子空穴传输，从而促进氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)动力学，降低充放电过程中的过电位。采用独特的CoFe₂O₄/BiFeO₃正极的磁/力耦合场辅助Li-O₂电池具有3.49 V的超低充电平台和2.83 V的超高放电平台。这种独特的磁/力耦合场辅助策略为解决金属-空气电池系统中的高过电位提供了重要的见解。该工作发表在国际顶级期刊Nano Energy上。博士生田松林为本文第一作者，刘万强教授和徐吉静教授为通讯作者。

结合锂氧电池的储能机理和压电催化机理，首次建立了基于铁电和压电核壳结构CoFe₂O₄/BiFeO₃(CFO/BFO) 的磁致伸缩和压电催化磁/力耦合场辅助锂氧电池新体系。

由于外加磁场的磁致伸缩效应，对CoFe₂O₄产生微观应力，能够诱导BiFeO₃的压电催化效应。在CFO/BFO电极中产生了大量的电子空穴对，大大加速了放电/充电过程中Li₂O₂的形成/分解。电池获得了3.49 V的超低充电电压和2.83 V的超高放电电压。基于磁致伸缩和压电催化的磁/力耦合辅助锂氧电池为金属-空气电池提供了一种新的外场辅助方法和实现高效能量转换和存储系统的新策略。

此外，引入磁场可以保证锂负极的均匀沉积，从而提高Li-O₂电池的整体性能。通过实验和理论计算，讨论了磁场方向对催化性能和锂负极沉积的影响。有趣的是，与垂直磁场相比，平行磁场在氧还原和析氧动力学方面表现出更明显的性能提升，并且锂负极的均匀沉积更好。

A Magnetic/Force Coupling Assisted Lithium-Oxygen Battery Based on Magnetostriction and Piezoelectric Catalysis of CoFe₂O₄/BiFeO₃Cathode

刘万强，长春理工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，主要从事金属电池电极材料保护等基础研究和高寒地区宽温储能技术开发方面的相关工作；承担科技部重点研发计划国际合作、国家自然基金和吉林省科技厅重点研发等项目，在Joule、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters、ACS Nano、Carbon Energy、Nano Letters、Chemical Engineering Journal、Journal of Colloid And Interface Science发表论文70余篇。

徐吉静，吉林大学，化学学院，无机合成与制备化学国家重点实验室，未来科学国际合作联合实验室，教授，博士生导师。主要从事新能源材料与器件领域的基础研究和技术开发工作，特别是在固态电池和金属空气电池领域取得多项重大原创性成果。研究成果在Nature (1)、Nat. Energy (1)、Nat. Commun. (3)、Adv. Mater. (8)、JACS (3)、Angew. Chem. Int. Ed. (5)、Chem (1)、Matter (1)、Energy Environ. Sci. (1)、Adv. Energy Mater. (3)、Adv. Funct. Mater. (2)、ACS Nano (2)、ACS Cent. Sci. (1) 、ACS Energy Lett. (1)、Energy Storage Mater. (3)等国际著名学术期刊上发表论文70余篇，他引7000余次，10余篇入选ESI高被引论文，H-指数40；获授权专利10余项。

研究成果受到了国内外学者的关注和认可，被国际专业期刊多次评述报道，受邀在国际国内会议上做大会报告、主题报告或邀请报告50余次。曾获国家“万人计划”青年拔尖人才（2020年）、科睿唯安“全球高被引学者”（2019年）、吉林省拔尖创新人才（2019年）和吉林省青年科技奖（2018年）等奖励或荣誉。承担中组部青年项目、国家自然科学基金、吉林省科技发展计划重点研发项目等14项科研课题。