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上发表题为 “Magnetic and Optical Field Multi-Assisted Li–O2Batteries with Ultra-High Energy Efficiency and Cycle Stability” 的研究工作。该工作首次提出了磁/光场耦合辅助的锂氧气电池新体系，利用磁场和光场耦合机制有效提升了锂氧气电池的正极反应动力学。研究发现，光电极表面的光生电子和空穴在磁场中会受到洛伦兹力作用而进行反向运动，从而有效抑制了电子和空穴的复合，提高了光电极的催化活性和效率。使用该光电极的锂氧气电池展现出2.73 V的超低充电电压和高达96.7%的能量效率。这种磁/光场耦合策略为高性能锂氧气电池等储能器件的开发提供了新思路。
可充电Li–O2电池由于其高达3500 Wh kg−1的理论能量密度而引起广泛关注，而发生在正极上的缓慢的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）动力学是制约其发展的关键技术障碍，致使该电池的能量转化效率低、倍率性能差和循环寿命短。为了解决上述问题，构建固体电催化剂和可溶性氧化还原介质催化剂等多种提高动力学的策略被提出。虽然催化剂材料的添加会明显降低电池的过电位，但该类材料在充电过程中会加速电解液的自身分解或迁移到阳极导致锂金属阳极的腐蚀，严重影响电池的稳定性和循环寿命。近年来，利用绿色可再生太阳能改善Li-O2电池中ORR和OER的反应动力学被认为是有前景的选择，光辅助Li-O2电池的概念也被顺势提出。在该电池体系中，正极上产生的光生电子和空穴可分别增强充放电反应中放电产物的生成和分解动力学，有效降低电池的过电位，进而提高电池的综合性能。然而，光正极中光电子和空穴的快速复合仍然是光辅助Li-O2电池面临的关键难题，限制了其进一步发展。磁场在太阳能电池中的应用可显著提高了载流子分离和光电子转换效率，这是由于洛伦兹力作用下的电荷运动偏离了磁场平面上的运动方向。借鉴此作用原理，非接触、环境友好的外磁场调谐方法有望为成为一种提升锂氧气电池正极反应动力学的有效策略。
图一: 磁/光场耦合辅助锂氧气电池的结构示意图和工作机理
鉴于此，先进能源与环境材料团队通过外部磁场调谐方法成功构建了磁/光场耦合辅助的锂氧气电池（图一）。通过原位水热生长方法制备了一体化NiO/FNi光电极（图二），该电极是将NiO纳米片均匀生长在泡沫镍多孔导电基体上制作而成。其独特的介孔NiO纳米片阵列拥有众多的开放通道，有利于促进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。
图二：光电极的制备过程和结构
该团队首先对比了在有无光场的情况下非质子体系中的ORR和OER的反应动力学。由于NiO/FNi这种半导体光电极的导带（2.04 V）和价带（5.16 V）的位置位于非质子Li–O2电池热力学平衡电势（2.96 V）的两侧，保证了其可作为Li–O2电池有效的光电极。在光照下的ORR和OER的反应动力学远高于无光的催化反应，这说明了光场在提升电极催化活性中的重要性。在光电流测试中，光场和磁场耦合的光电极展现出了最稳定且最高的电流响应。这些结果共同说明了磁场的引入，进一步提升了光辅助的ORR和OER反应动力学，这是由于磁场中洛伦兹力对光生电子和空穴的有效分离作用。进一步以NiO/FNi作为光电正极组装成Li–O2电池，在施加5 mT的磁场时，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（图三）。
图三：磁/光场耦合辅助Li–O2电池的电池性能
上述研究工作表明，磁/光场耦合辅助的策略可为Li-O2电池提供新的研究方向，更有意义的是，该工作证明了外场辅助在能源存储与转化方面具有突出的优势。
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王晓雪，通讯作者为吉林大学徐吉静教授。
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104792
