南开陈军院士/李福军Chem. Soc. Rev.: 可充电锂氧电池中O2的光电化学

v-suan • 2023年10月15日下午2:21 • 顶刊解读 • 阅读 25

可充电锂氧（Li-O₂）电池由于其高理论能量密度而成为很有前途的储能装置。然而，正极氧还原和析出反应（ORR/OER）的缓慢动力学导致极化大和能量效率低。尽管在电极材料设计和电池构型方面取得了进步，但仍然存在较大的放电/充电电压差距。将光引入Li-O₂电池已被证明可以提高ORR/OER的反应动力学从而提高电化学性能，但对氧正极光电化学过程的理解仍然有限。

鉴于此，南开大学陈军院士、李福军研究员等人回顾总结了对Li-O₂电池中氧电化学和光电化学的基本理解，包括放电过程中的ORR和充电过程中的OER。重点介绍了光助Li-O₂电池中光电化学的综合机制，然后概述了光激发ORR和 OER在材料设计、电池构造和稳定性方面的最新进展。

图1. 光助Li-O₂电池的简化构造示意图

Li-O₂电池中的光助正极反应包括载流子生成和电催化两个至关重要的过程：半导体中产生的载流子寿命和浓度与其微观结构、能带结构和带隙有关；电催化取决于其O₂吸附/解吸、催化活性、比表面积和孔结构。所采用的半导体正极通常具有带隙大、表面积小和光电转换效率低的问题，其合理设计（形貌、晶面和能带结构）对于提高电催化活性、电荷分离效率、光稳定性和电化学稳定性非常重要。

正极的微结构设计有利于增强光捕获、快速电子和质量传输及容易的氧扩散，从而使光助Li-O₂电池具有优异的倍率和循环稳定性。此外，开放系统中的电解质损失不如气/固/液三相界面，因此需要适当的电池构造来减轻液体电解质的挥发，从而长时间运行。

图2. 半导体中光激发过程的示意图

最后，作者讨论了光助Li-O₂电池的主要挑战和前景：

（1）目前对Li-O₂电池的深入了解还不够，特别是正极反应中的决速步骤。

（2）光助Li-O₂电池的正极、电解质和金属负极都存在副反应，需要对其进行钝化，稳定的光助Li-O₂电池将高度依赖于半导体正极、电解质和锂负极的优化及其兼容性。

（3）光助Li-O₂电池的进一步发展将集中在提高倍率性能、循环稳定性及对反应动力学的理解，这依赖于半导体正极、电解质、金属负极、隔膜和电池构造的合理设计，同时涉及光化学、材料化学、电化学、计算、光谱学和表面科学的跨学科知识。

图3. 半导体正极上的反应过程示意图

Photoelectrochemistry of oxygen in rechargeable Li–O₂ batteries, Chemical Society Reviews 2022. DOI: 10.1039/D1CS00877C

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南开陈军院士/李福军Chem. Soc. Rev.: 可充电锂氧电池中O2的光电化学

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