陕师大刘宗怀教授、李琪副教授ACS Nano：尺寸可控硅氧烯双功能光电极助力高效锂-氧气电池- 大数跨境

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陕师大刘宗怀教授、李琪副教授ACS Nano：尺寸可控硅氧烯双功能光电极助力高效锂-氧气电池

科学材料站

2023-01-30

导读：本文为实现可充电Li-O2电池的性能提升提供了新途径。

文章信息

第一作者：贾聪颖

通讯作者：刘宗怀*，李琪*

单位：陕西师范大学，材料科学与工程学院

研究背景

随着新能源的快速发展，廉价而高效的能源转换和存储器件显得尤为重要。可充电Li-O₂电池具有理论比容量（3862 mAh/g）高、能量密度（3500 Wh/kg）大和O₂活性材料丰富等优势，被认为是最具发展潜力的新一代电池体系之一。可充电Li-O₂电池储能机制的关键点是充放电过程中Li₂O₂的形成和分解，但Li₂O₂差的导电性及其与电解液容易发生副反应，导致Li-O₂电池充电电位高（4-4.5 V），且实际放电电位已接近理论平衡电位（2.96 V）。

因此，如何高效降低过电位且突破2.96 V放电工作电位瓶颈，是Li-O₂电池面临的关键科学问题和提高电池性能的关键挑战。研究发现，通过将双功能光电极作为氧正极的辅助体系构筑光辅助Li-O₂电池，是实现充电电位降低，甚至低于放电电位的有效策略之一。因此，开发新型高效的Li-O₂电池双功能光辅助催化剂，对获得高效转换和存储的光辅助Li-O₂电池尤为重要。

本文在发展的硅氧烯纳米片作为Li-O₂电池双功能光催化剂基础上，采用拓扑化学剥离、不同超声处理及离心分离，成功制备了不同尺寸少层硅氧烯纳米片及量子点，且硅氧烯量子点（SQD）辅助的Li-O₂电池的往返效率和倍率性能取得突破性提升。该研究为开发其他高效Li-O₂电池光催化剂提供了新思路，为实现太阳能与电能的高性能转换和存储提供了新机遇。

文章简介

基于此，陕西师范大学材料与科学工程学院刘宗怀教授和李琪副教授课题组，在国际期刊ACS Nano上发表题为“Bifunctional photo-assisted Li-O₂ battery with ultrahigh rate-cycling performance based on siloxene size regulation”文章。该研究工作在不同尺寸硅氧烯纳米片可控制备基础上，将制备的不同尺寸硅氧烯作为可充电Li-O₂电池的双功能光催化剂，系统研究了不同尺寸硅氧烯双功能光催化剂提高Li-O₂电池储能机制，为实现可充电Li-O₂电池的性能提升提供了新途径。

图1. 具有优异循环倍率性、高比容量和高效循环效率的硅氧烯量子点光电化学性能。

本文要点

要点一：不同尺寸硅氧烯锂氧电池双功能光催化剂的可控制备

采用拓扑化学剥离、不同超声处理及离心分离，成功制备了不同尺寸少层硅氧烯纳米片及量子点。不同尺寸硅氧烯锂的带隙随着横向尺寸的减小而增大，其CB/VB值分别向高/低能级移动。

要点二：Li-O₂电池的往返效率和倍率性能得到突破性提升

与大尺寸硅氧烯纳米片（SNSs）相比，硅氧烯量子点（SQD）Li-O₂电池在3.72 V最高放电电位和1.60 V最低充电电位情况下具有230%往返效率。在0.075 mA/cm²的电流密度下，200次循环后仅有13%的效率衰减。同时，在3 mA/cm²时显示出162%的高往返效率及2212 mAh/g的高放电容量。

要点三：硅氧烯量子点基双功能光催化剂的作用机理得到阐明

通过密度泛函理论（DFT）计算研究表明，由于SQD不仅具有理想的CB/VB值和丰富的缺陷位点，而且拥有较强的O₂吸附能和较低的LiO₂吸附能，使得SQD光催化剂可以极大地加速Li-O₂电池体系中的氧阴极反应，使得Li-O₂电池性能性能得到显著改善。

要点四：前瞻

以硅氧烯为例，系统地探讨了不同尺寸光催化剂对Li-O₂电池性能的影响。这项系统研究不仅丰富了双功能硅氧烯光电极在Li-O₂ 电池中的应用，并且可为开发其他高效Li-O₂电池光催化剂提供新思路，实现对电能的高节约和大规模高效率光电转换和存储。

文章链接

Bifunctional photo-assisted Li-O₂ battery with ultrahigh rate-cycling performance based on siloxene size regulation

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c12025

通讯作者简介

刘宗怀，教授，博士生导师，享受政府特殊津贴，宝钢优秀教师奖获得者，陕西省“三秦学者”及储能材料与器件“三秦学者”创新团队带头人，陕西师范大学教学名师及优秀导学团队负责人。研究方向为储能材料及器件。开发了不同电性无机层状化合物剥离新技术，实现了温和条件下不同电性纳米层组装制备纳米层状功能材料，为实现超级电容器能量密度及容量改善提供了新途径。

先后主持包括国家“863”计划、国家自然科学基金等研究项目11项，在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Small, Chem. Mater.等杂志发表SCI论文140余篇，取得授权发明专利12件，获陕西省科学技术进步二、三等奖各1项，出版《二维无机材料剥离、纳米层组装及其功能化》学术专著一部。

李琪，副教授，日本筑波大学工学博士，日本产业技术综合研究所博士后。2018年起任职于陕西师范大学材料科学与工程学院，主要从事锂/钠离子电池的研究。主持国家自然科学青年基金、中国博士后基金特别资助和面上资助、陕西省高校“青年杰出人才”支持计划、陕西师范大学“课程思政”示范课建设项目等多个项目。近年来以第一作者或通讯作者身份在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Joule等学术刊物上发表SCI研究论文30余篇。

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