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    先进能源与环境材料团队研究成果在Adv. Mater.发表:基于光调节非晶Li2O2循环的宽波段光辅助锂−氧气电池
    发布日期: 2022-02-12  浏览:
  • 近期,吉林大学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的先进能源与环境材料团队在Advanced Materials发表题为“Oxygen Vacancy-Mediated Growth of Amorphous discharge products towards an Ultra-Wide Band Light-Assisted Li−O2 Batteries”的研究工作。该工作使用一种含有氧空位的Ag/Bi2MoO6一体化光电正极,首次实现了光辅助锂−氧气电池对光的宽波段利用。研究发现,一体化光电正极可以利用太阳光精准地调控放电产物Li2O2的结晶性,进而提升充电过程中产物分解动力学,由此电池展现出500h以上的循环寿命,是目前报道的最高值。这项工作提出了设计高效锂−氧气电池的新思路,加深了对光能增强电池反应动力学机制的理解。

    氧气(Li−O2)电池因其超高的理论能量密度被认为是下一代高比能储能器件的重要候选者。然而,Li−O2电池仍面临着正极侧氧气还原反应及Li2O2分解反应动力学缓慢的问题,电池的实际倍率性能和循环寿命较低,距商业化应用还存在很大差距。为了解决这一难题,研究者研发了大量贵金属、过渡金属化合物电催化剂,试图提高空气正极对氧气还原和Li2O2分解反应的催化活性,但这些催化剂只能获得结晶型(或含少量非晶的结晶型)放电产物Li2O2,尽管电池性能在一定程度有所改善,但是结晶型Li2O2的离子和电子输运能力远低于非晶态Li2O2,使得Li−O2电池的充放电平台一直难以接近其理论放电电位2.96 V。如何精准设计催化剂调节Li2O2结晶性,对于Li−O2电池性能的提高非常关键。利用绿色可再生太阳能改善Li−O2电池中反应动力学被认为是有前景的选择,可以获得极低的充放电过电位,但电池的稳定性差和光利用波段窄是当前面临的难题。若实现太阳光对Li2O2结晶性的调节,建立一种基于光调节非晶Li2O2循环的宽波段光辅助Li−O2电池,则可同时解决以上两个难题。

    图一:一体化光电正极在Li−O2电池中的作用机理示意图

    基于以上认识,研究团队通过原位生长法制备了以碳布为基底的交错纳米片结构的Ag/Bi2MoO6一体化光电正极。具有氧空位的光电正极具有紫外到可见光区域的吸收和对O2具有良好的电化学活性的双重优势,实现了光辅助Li−O2电池对宽波段光的利用。放电时,Ag纳米板基于局域表面等离子体共振效应产生的光激发电子被注入到Bi2MoO6的氧空位中。快速的氧还原反应动力学使生成的放电产物Li2O2为非晶态,实现了高于Li−O2电池理论电位的放电平台。充电时,来自Ag纳米板的光激发空穴能够迅速分解非晶态的Li2O2,使电池拥有超低的充电平台(图一)。使用一体化光电正极的电池在50 mA g−1的电流密度下放电平台为3.05 V,远高于传统催化剂对应的放电平台,展现出首圈高达93.8%的能量转化效率,稳定循环500 h后仍能保持70%,这是目前报道的最高值。优异的电化学性能归因于充放电循环是基于非晶Li2O2为主导的电化学反应,CV曲线可以明确观察到强烈的Li2O2产生和分解的氧化还原峰,充分证明了非晶Li2O2的电化学反应动力学的优异性。本工作中得到的非晶Li2O2被原位XRD、原位DEMSXPSRaman证明(图二)。该工作首次通过引入光能调控Li−O2电池的放电产物性质,从本质上解决电池的缓慢反应动力学问题,对于研究光辅助Li−O2电池有重要的理论指导意义。


    图二:电池放电产物为非晶态Li2O2的表征





    相关的研究成果近期发表在Adv. Mater.杂志上,第一作者为吉林大学在读博士生李飞,通讯作者为吉林大学徐吉静教授。




    Adv. Mater., DOI:10.1002/adma.202107826

    全文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202107826