周震教授，谢召军副教授团队Small：氧化还原介质降低偏压的光辅助锂-氧气电池

第一作者：刘巍巍

通讯作者：谢召军*，周震*

单位：南开大学，郑州大学

锂-氧气电池因其超高的理论能量密度而受到广泛关注，具有成为下一代能源存储系统的潜力。但是，缓慢的氧还原反应和氧析出反应阻碍了锂-氧气电池的实际应用。近年来发展的光辅助策略能够有效降低电池过电位，光能的引入提高了电池往返效率。

然而，充电过程中处于高电位的光生空穴会导致电解液发生分解，使得电池的循环性能变差。因此，选择合适的方式来降低光辅助电池外加偏电压，进而降低光生空穴的电位十分必要，对电池实现更好的循环稳定性尤为关键。

基于此，南开大学谢召军副教授与郑州大学周震教授团队在国际知名期刊Small上发表题为”Light-Assisted Li-O₂ Batteries with Lowered Bias Voltages by Redox Mediators”的研究论文。

图1. 含有LiI的光辅助锂-氧气电池反应机理图。

作者通过原位电聚合的方法成功合成了具有半导体性质的聚三联噻吩光催化剂（pTTh），并将其应用于光辅助锂-氧气电池的高效光电正极材料。得益于pTTh优异的ORR光催化活性，成功将光辅助锂-氧气电池的放电电压提升到了3.1 V，超过了锂-氧气电池2.96 V的平衡电位，实现了光能向化学能的储存。但是受限于充电过程中高氧化电位空穴的威胁，电极在充电过程中发生结构变化，影响了后续光催化效能。

图2. 光电极的合成及在光辅助电池中受外加偏压的性能表现。

要点二：氧化还原介质与光催化剂的协同作用

作者通过引入LiI作为锂-氧气电池的氧化还原介质，在充电过程中检测到I₃^-的信号。相较于无光下的电池，放电平台提升到3.1 V，充电电压降低到3.19 V，并且这一电位明显低于无光下含LiI的电池，说明光电极和氧化还原介质实现了协同作用。利用I^-来还原氧化环境的空穴，生成的I3^-进而化学氧化放电产物Li₂O₂，光生空穴的电压得以降低，从而保护了电池正极和电解液，电池的稳定性大幅提高。

图3. 氧化还原介质与光催化剂的协同作用，提升电池稳定性。

要点三：光辅助电池对放电产物形貌的影响

电池在光照下可以有效地调整放电产物的沉积和形貌，相较于无光下电池趋于形成大块环状的放电产物，光照时的快速电子传导会在光电极的纳米片之间形成均匀分布的薄膜状结构产物，有利于保持原有的活性中心，提升充电过程中Li₂O₂分解的反应动力学。光辅助锂-氧气电池的过电位显著降低，这意味着光辅助电池为光能的利用和锂-氧气电池的改进提供了一条新的途径，实现了光能向化学能，继而向电能的储存与转化，具有非常大的研究意义。

图4. 光照对放电产物形貌的影响及电子转移路径。

Light-Assisted Li-O₂ Batteries with Lowered Bias Voltages by Redox Mediators

谢召军副教授简介：2005年和2008年毕业于中国石油大学(华东)，分别获得工学学士和理学硕士学位；2011年毕业于南开大学化学学院有机化学专业，获得理学博士学位。现为南开大学材料科学与工程学院副教授。主要研究方向为有机电催化与空气电池，已在Adv. Mater.、Angew. Chem.和Energy Storage Mater.等期刊上发表第一或通讯作者论文10余篇。

周震教授简介：郑州大学化工学院二级教授、博士生导师，“长江学者”特聘教授，英国皇家化学会会士，入选科睿唯安“全球高被引科学家”和爱思唯尔“高被引学者”。现担任J. Mater. Chem. A和Green Energy Environ.副主编、中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员。

多年来致力于利用高通量计算、大数据及机器学习与实验相结合，开展新能源研究，取得了系列原创性成果。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金重点项目和区域创新发展联合基金重点项目等多项研究。在Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.等期刊发表论文300余篇，论文他引25000余次，个人H因子94，2014年获天津市自然科学二等奖(排名第一)。

投稿请联系contact@scimaterials.cn