南開大學科研團隊在光助鋰-氧氣電池領域獲突破

空氣想“發電”?新型電晶體催化劑是關鍵。近日,南開大學化學學院李福軍研究員團隊在光助高比能鋰-氧氣電池研究方面獲得突破,為上述問題的解决提供了嶄新方案。設計可見光吸收且長載流子壽命的電晶體催化劑對光助鋰-氧氣電池至關重要。

空氣想“發電”?陽光來幫忙!新型電晶體催化劑是關鍵

論文截圖

圖1金/氮化碳異質結的局域表面等離激元效應及其參與的鋰-氧氣電池反應過程與電化學效能

“吸”入空氣中的氧氣,經過簡單的化學反應,就可以實現放電;充電時,放電產物通過可逆反應被分解,又重新釋放出氧氣。結構簡單、綠色環保、理論能量密度極高的鋰-氧氣電池,正在讓“空氣發電”的奇思妙想走進現實。儘管被認為是極具發展前景下一代電池體系,但其正極遲滯的反應動力學導致的充放電過程極化大、能量效率低等問題極大地制約了鋰-氧氣電池的發展和應用的脚步。

近日,南開大學化學學院李福軍研究員團隊在光助高比能鋰-氧氣電池研究方面獲得突破,為上述問題的解决提供了嶄新方案。他們研獲了一種具有表面等離激元增强效應的新型電晶體催化劑,首次將可見光引入鋰-氧氣電池中,顯著提升了正極反應動力學,有效降低了電池充/放電過程的極化,開闢了構築高效金屬-空氣電池的新思路。日前,介紹該工作的論文發表在國際頂級學術刊物《美國科學院院刊》(PNAS)上。

鋰-氧氣電池由Li金屬負極、有機電解質和多孔正極組成,它憑藉其極高的理論能量密度(高達3600瓦時每公斤),而廣受研究人員關注。

放電時,O2在鋰-氧氣電池的多孔正極中被還原,並與電解液中的鋰離子結合生成放電產物Li2O2(過氧化鋰);充電時,產物Li2O2可逆分解。充/放電過程的總反應為2Li+O2→Li2O2,理論電壓為2.96V。然而,正極遲緩的反應動力學,導致電池充/放電過電壓大、能量效率低。

“現時,主要的解決辦法是採用固體電催化劑和液體氧化還原媒介來促進Li2O2的生成和分解,以降低充/放電極化。但是,即使是最高效的正極催化劑,鋰-氧氣電池的充電電壓比放電電壓高1.0V左右,意味著電池充完電,即使在不放電的情况下就已經損失了30%左右,而可溶性氧化還原媒介會擴散到鋰負極發生副反應,降低電池能量效率。囙此,探索新的反應機制以降低鋰-氧氣電池極化是非常必要的。”李福軍說。

光激發電晶體產生的光電子和空穴可極大提升電化學反應動力學。採用能帶結構合適的半導體材料,將光引入鋰-氧氣電池中,可顯著提升正極反應動力學,降低充/放電過電壓。

研究人員介紹,現時採用的電晶體光吸收主要集中在紫外光區,僅占太陽光譜的4%,高的載流子複合率也使得載流子壽命和正極反應動力學不匹配。設計可見光吸收且長載流子壽命的電晶體催化劑對光助鋰-氧氣電池至關重要。

李福軍團隊一直致力於鋰-氧氣電池新機制的研究,將半導體材料應用於光響應的鋰-氧氣電池和鋅-空氣電池中。經過反復試驗,李福軍團隊將金納米顆粒負載到氮缺陷的氮化碳上,製備出金/氮化碳異質結,並研究了金納米顆粒的局域表面等離激元共振效應及誘導的氧氣還原和析出反應動力學與反應機理。

研究發現,金納米顆粒的等離激元增强效應可大幅提升可見光的吸收,異質結界面處的空間電荷層可延長光生電子和空穴壽命,氮化碳的氮缺陷吸附並活化氧氣,使光生電子高效注入氧氣分子反鍵軌道,提升氧氣還原反應動力學,促進放電產物Li2O2的生成;充電時,空穴在外加電壓驅動下高效氧化Li2O2,釋放氧氣。

“這就好像給鋰-氧氣電池新增了一個聚光鏡,使正極接受到更多的光能,從而加快了電池反應。”李福軍說。

改進後的鋰-氧氣電池的放電電壓提高到3.16V,超過了無光照時的平衡電壓200mV,意味著在放電過程中,鋰-氧氣電池也可以將部分光能被轉化成電能輸出;充電時,光能被轉化成化學能存儲在鋰-氧氣電池中,使充電電壓降至3.26V,電池的充/放電電壓差减小至0.2V,同時也獲得了優异的電池倍率效能和迴圈穩定性。

李福軍表示,這項新的突破將能够直接將光能在電池中實現轉化和存儲,將為太陽能發電和存儲提供新策略。

據悉,南開大學為該成果論文唯一完成單位,南開大學博士研究生生朱卓、倪優璿、呂清良、耿嘉潤,南開大學謝微研究員、陳軍院士為論文共同作者,李福軍研究員為論文通訊作者。該研究得到了國家科技部納米專項、國家自然科學基金委優秀青年基金、天津市科技局傑出青年基金等專案資助。

論文連結:https://www.pnas.org/content/118/17/e2024619118

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資料標籤: 電池 科普 電晶體
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永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656063895688312
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