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吉林大學徐吉靜AM：多場輔助鋰空電池，超低過電位！

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可充電鋰氧(Li-O2)電池因其高達3500 Wh kg?1的理論比能量而引起了人們對高能量密度儲能系統的研究興趣。但由于氧還原反應(ORR)和氧析出反應(OER)動力學遲緩導致電池過電位過大，仍是亟待克服的關鍵挑戰。
為了解決上述問題，提出了各種策略，包括構建電催化劑和可溶性氧化還原介質。雖然充電電壓明顯降低，但電催化劑在充電過程中會加速電解質的分解。此外，可溶性氧化還原介質遷移到陽極，導致鋰金屬陽極效率低下和不穩定。因此，有必要探索新的途徑，從本質上促進Li2O2的形成和分解，降低Li-O2電池的大過電位。
光輔助鋰氧電池系統通過引入光，有效地降低鋰氧電池的大過電位，這已成為未來發展的一個重要方向。然而，在放電和充電過程中，光激發電子和空穴的快速復合極大地阻礙了這一進展。

成果簡介

吉林大學徐吉靜AM：多場輔助鋰空電池，超低過電位！

針對以上問題，吉林大學徐吉靜教授課題組在Advanced Materials上發表了最新成果，Magnetic and Optical Field Multi-Assisted Li-O2 Batteries with Ultrahigh Energy Efficiency and Cycle Stability。作者開發了一種新型的磁場、光場輔助的Li-O2電池，該電池采用生長了NiO納米片的三維多孔泡沫鎳(NiO/FNi)作為光電極。
在光照條件下，NiO/FNi光電極的光生電子和空穴在放電和充電過程中分別起著降低過電位的關鍵作用，也大大加快了傳統Li-O2電池在放電/充電過程中難以形成/分解的Li2O2的速度。光激發電子和空穴的快速復合會導致過電勢降低效果不持久，通過引入外部磁場，洛倫茲力對光產生的電子和空穴起相反的作用，從而抑制載流子的復合。之后，鋰氧電池能在超低的氧化電壓下穩定工作，這與電子和空穴的良好抑制有關。
實驗證明，磁場、光場輔助的Li-O2電池的充電電壓達到了≈2.73 V的超低水平，比理論值2.96 V還要低，電池具有很高的穩定循環性能，能量效率高達96.7%。值得注意的是，電池的進一步進行了測試，以討論內置電場、磁場和光的相互作用，以及它們對電池性能提高的影響。
本文的磁場、光場輔助鋰氧電池的概念為太陽能的存儲提供了一種有效的策略，并介紹了一種通用的儲能系統方法。

圖文詳情

吉林大學徐吉靜AM：多場輔助鋰空電池，超低過電位！

圖1. Li-O2電池在不同環境下的工作原理圖(左)，(a-c)圖顯示了充電過程中放電產物的分解示意圖(右)。無外場條件下，充電有較高的過電勢，在光場下，充電電勢變低，但是效果不能持續，而繼續加了磁場之后，充電電勢能夠一直保持在較低位置

吉林大學徐吉靜AM：多場輔助鋰空電池，超低過電位！

圖2. NiO/FNi正極的合成和表征

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圖3. 光場對催化劑性能的影響

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圖4. 光場和磁場輔助的ORR過程以及COMSOL模擬的磁場作用下NiO表面感應電動勢的分布

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圖5. 光場對鋰空電池性能的影響，a和c中的電流為0.01 mA cm-2

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圖6. 在光場和磁場共同作用下的鋰空電池的性能（過電勢、倍率、循環）

文獻信息

Magnetic and Optical Field Multi-Assisted Li–O2 Batteries with Ultrahigh Energy Efficiency and Cycle Stability. Adv. Mater. 2021, 2104792

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104792?af=R

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