近期，吉林大学未来科学国际合作联合实验室、化学学院、无机合成与制备化学全国重点实验室科研团队在Angewandte Chemie International Edition上发表题为“A Magnetic Field-Assisted Lithium-Oxygen Batteries with Enhanced Reaction Kinetics by Spin-Polarization Strategy”的研究工作。该工作利用锰掺杂铯铅溴钙钛矿（Mn-CsPbBr3）材料作为自旋极化正极催化剂，构筑了磁场辅助锂空气电池体系。在磁场的作用下，通过塞曼效应增强催化剂活性位点的自旋极化，降低了氧还原反应过程中三线态氧到单线态氧转化的自旋翻转能量，进而增强了电极反应动力学。基于Mn-CsPbBr3正极的锂空气电池展现出0.40 V的低过电位、500 h的循环寿命以及优异的倍率性能。该工作将磁场引入锂空气电池体系，为改善电池的正极反应动力学提供了一条新策略。
为了快速推进我国城市低空经济的发展，无人飞机、电动垂直起降飞行器等对动力电池的性能提出了极高要求，亟需发展兼具高能量密度、快充电速度、长循环寿命的动力电池体系。当前以锂离子电池为代表的二次电池虽然取得了巨大的商业成功，但其能量密度已经接近理论上限，很难实现性能的大幅度突破。可充电锂空气电池拥有3500 Wh kg-1的超高理论能量密度，是现有锂离子电池的5~10倍，其成功研发有望实现二次电池技术的跨越式发展。目前，锂空气电池研究还处于初级阶段，电池的倍率性能、能量效率和循环寿命等性能指标距产业化应用还存在很大差距。这些技术瓶颈主要来自于电池的反应动力学迟缓这一关键科学问题尚未得到有效解决。目前解决这一问题的经典解决方案是开发高活性正极电催化剂或液相电催化剂，但电催化剂存在三相反应界面催化效率低或穿梭腐蚀负极等问题。因此，亟需发展绿色高效的提升电池反应动力学的新策略。
徐吉静教授团队前期研究证明，利用外加物理场（光场、力场、热场）的策略可以有效提升锂空气电池反应动力学，使得电池的能量效率、倍率性能和循环寿命均得到大幅提高（J. Am. Chem. Soc.2021, 143, 14253; 2023, 145, 5718、Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59, 19518; 2023, 62, e202311739; 2024, 63, e202411845; 2024, 63, e202319211; 2025, 64, e202418174; 2025, e202501837、Adv. Mater.2020, 32, 1907098; 2022, 34,2107826; 2022, 34,2104792; 2024, 36, 2312661; 2024, 36, 2407718）。磁场作为一种非接触性、高能效的物理场，有望成为提升锂空气电池性能更经济、更高效的策略。
基于以上思考，研究人员设计并制备了磁性锰掺杂铯铅溴钙钛矿（Mn-CsPbBr3）材料作为锂空气电池的自旋极化正极催化剂。Mn离子的掺杂促进了CsPbBr3的电荷重新分布和自旋极化，增强了与氧还原反应过程中氧物种的相互作用。外加磁场后，通过塞曼效应使催化剂的自旋极化增强，提升了锂离子介导的氧还原和析氧反应动力学。在磁场的作用下，基于Mn-CsPbBr3正极的锂空气电池获得了0.40 V的低过电位、500 h的循环寿命和优异的倍率性能（图一）。
图一：磁场辅助锂空气电池正极催化剂设计
多种物化表征手段证实，Mn2+成功掺入CsPbBr3晶体结构中。磁性Mn2+的掺杂不仅调整了CsPbBr3的电荷分布，也使得其能带结构中出现自旋极化特性（图二）。
图二：磁场辅助正极催化剂的设计与合成
密度泛函理论计算结果显示，优化后的电荷分布和能带结构使得Mn-CsPbBr3正极催化剂对于氧气和关键反应中间体超氧化锂具有更强的吸附作用。另外，通过计算催化剂活性位点以及吸附氧物种的净自旋，也证明了活性位点的自旋极化对于氧物种的吸附和电荷转移具有重要的影响（图三）。
图三：自旋极化效应对氧物种电催化转化的理论研究
电化学性能测试结果表明，催化剂的自旋极化显著降低了催化剂-电解质界面处的电荷转移阻抗，最终提升了锂离子介导的氧还原和氧析出反应动力学。由于塞曼效应，磁场的施加增强了材料的自旋极化，进一步提高了电催化性能（图四）。
图四：磁场辅助正极催化剂的电化学性能
进一步利用Mn-CsPbBr3作为正极催化剂构建磁场辅助锂空气电池体系，探究了磁场对于电池性能的影响。在磁场作用下，增强的自旋极化促进了电池反应动力学的同时，也调控了放电产物的沉积行为，使得电池实现了0.40 V的低充放电过电位。得益于优异的界面稳定性和高效的电荷传输，电池展现出500 h的循环寿命和优异的倍率性能（图五）。
图五：磁场辅助锂空气电池的电化学性能
最后，利用瞬态荧光光谱和电子顺磁共振证明了磁场增强的自旋极化可以有效分离光生电子和空穴。由于自旋极化增强的电极反应动力学和优异的载流子分离效率，在磁场和光场的共同作用下，基于Mn-CsPbBr3的锂空气实现了0.12 V的超低充放电过电位和96.3%的能量效率（图六）。
图六：磁场-光场耦合辅助锂空气电池的电化学性能
相关的研究成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章第一作者为吉林大学硕士研究生袁鑫源，通讯作者为吉林大学徐吉静教授和吉林大学鼎新学者博士后王晓雪。该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202421361
