锂氧气（Li–O2）电池由于其超高的理论能量密度而成为很有前途的下一代储能设备。然而，Li–O2电池的商业化应用还面临着一系列的挑战，主要包括电解液在高电压下分解、负极锂枝晶形成、充放电过程中氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）动力学缓慢等。针对ORR和OER动力学缓慢这一核心挑战，目前已有大量的研究试图开发高效催化剂突破这一瓶颈，虽然可有效降低电池的过电位，但催化剂在充电过程中会加速电解液的分解，严重影响电池的稳定性和循环寿命。光辅助锂氧气电池是最近几年提出的概念，该电池体系可以通过光能的转换与存储，有效地加快了电池的反应动力学，大幅提升电池的能量转换效率。但是在长期循环过程中，光生电子和空穴的复合使电池的过电位电位急剧上升，引发一系列副反应，严重影响了电池稳定性和循环寿命。因此，急需一种有效的策略来抑制电子与空穴的复合，提升光电极的催化活性和稳定性。
近日，吉林大学的徐吉静教授团队通过非接触和环境友好的外部磁场调谐方法成功构建了磁/光多场耦合辅助的锂氧气电池。该研究为加快Li–O2电池反应动力学提供了新的思路，并证明了外场辅助在能源存储与转化方面具有突出的优势。研究人员巧妙设计了分级多孔的NiO/FNi光电极，其独特的介孔NiO纳米片阵列拥有众多的开放通道，有利于氧气和锂离子的快速扩散。此外，利用保持良好的大孔，NiO/FNi光电极可以为电子和反应物质传输提供低阻抗途径。均匀排列和高度多孔的结构还可以提供丰富的开放空间和用于光吸收的活性表面。利于材料中分离的光生电子空穴，有效地提升了非质子体系中的ORR和OER的反应动力学。在外部磁场的作用下，得益于磁场中洛伦兹力的电荷分离作用，NiO/FNi光电极能够在非质子体系中表现出优异的ORR和OER催化活性。以NiO/FNi作为光电正极组装成Li–O2电池，在测试装置外表面施加强度为5 mT的磁场，电池能够表现出96.7%的超高往返效率，在0.01 mA cm-2的电流密度下稳定循环超过120小时。
图1. Li–O2电池在不同工作环境的工作示意图。a-c）该图显示了充电过程中放电产物的分解所需的反应壁垒。
图2. NiO/FNi的结构表征 a）NiO/FNi合成示意图；b）样品的XRD图谱；c-d）样品的XPS图谱；e）样品的SEM图像；f-g）样品的TEM图像；h）样品的N2吸附曲线，内部插图为孔径分布。
图3. NiO/FNi的光电性能测试。a）样品的M-S图；b）样品的紫外可见吸收光谱；内部插图为能带示意图；c）样品在有无光照下ORR过程的LSV曲线；d）样品在无光照下ORR过程的Tafel斜率；e）样品在有无光照下OER过程的LSV曲线; f）样品在无光照下OER过程的Tafel斜率。
图4. NiO/FNi在磁/光多场耦合下的光电性能测试。a）样品在恒定磁场下有光和无光下的ORR过程的LSV曲线；b）样品在恒定磁场下有光和无光下的EIS曲线；c）样品在恒定磁场下的M-S图；d）样品在有无恒定磁场下以及有光和无光下的I-T曲线；e）样品的M-H曲线；f-g）通过COMSOL得到的样品的感应电势分布；h）在磁场下光电极的能带示意图。
图5. 光场辅助Li–O2电池的电池性能测试。a）电池在有无光照下的充放电曲线；b）放电后的光电极的OER过程的LSV曲线；c）电池的ON-OFF曲线；d）电池的ORR过程的LSV曲线；e）光场辅助Li–O2电池的充放电机制。
图6. 磁/光多场耦合辅助的Li–O2电池的电池性能测试。a）电池在恒定光场下，位于不同磁场强度磁场中的充电曲线；b）电池在恒定光场下有无磁场的倍率性能；c）在恒定光场下有无磁场的放电后电池的EIS曲线；d）在恒定光场下有无磁场的放电后电池的LSV曲线；e）在恒定光场下有无磁场的电池的循环性能；f）在恒定光场下有无磁场的电池充电后电极的XRD图谱；g-h）在恒定光场下有无磁场的电池充电后电极的SEM图像。
相关研究近期发表在Advanced Materials 上，文章第一作者为吉林大学在读博士生王晓雪，通讯作者为吉林大学徐吉静教授。
Magnetic and Optical Field Multi-Assisted Li–O2 Batteries with Ultrahigh Energy Efficiency and Cycle Stability
Xiao-Xue Wang, De-Hui Guan, Fei Li, Ma-Lin Li, Li-Jun Zheng, Ji-Jing Xu*
Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202104792
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。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）、吉林省青年科技奖（2018年）等荣誉或奖项。于2006年和2011年在吉林大学获学士学位和博士学位。2011年至2017年作为博士后、助理研究员和副研究员在中科院长春应化所工作。2018年全职回到吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室和未来科学国际合作联合实验室工作。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，具体研究方向包括：金属空气电池和外场辅助能量储存与转化新体系。近年来共发表SCI学术论文60余篇，其中包括第一/通讯作者论文：Nature 1篇、Nat. Energy 1篇、J. Am. Chem. Soc. 1篇、Angew. Chem. Int. Ed. 2篇、Adv. Mater. 5篇、Nat. Commun. 3篇等。迄今为止，论文被他引6000余次，12篇论文入选ESI高引论文，个人H指数33。获授权发明专利和国防专利10项。
https://www.x-mol.com/groups/xu_jijing
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
X-MOL资讯