能量效率低制約“空氣發(fā)電”應用 新型半導體催化劑讓陽光助力“空氣發(fā)電”

“吸”入空氣中的氧氣，經(jīng)過簡單的化學反應，就可以實現(xiàn)放電;充電時，放電產(chǎn)物通過可逆反應被分解，又重新釋放出氧氣。結(jié)構(gòu)簡單、綠色環(huán)保、理論能量密度極高的鋰-氧氣電池，正在讓“空氣發(fā)電”的奇思妙想走進現(xiàn)實。

記者4月23日獲悉，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，研獲了一種具有表面等離激元增強效應的新型半導體催化劑，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，開辟了構(gòu)筑高效金屬-空氣電池的新思路。日前，介紹該工作的論文發(fā)表在國際頂級學術(shù)刊物《美國科學院院刊》(PNAS)上。

能量效率低制約“空氣發(fā)電”應用

據(jù)介紹，鋰-氧氣電池由Li金屬負極、有機電解質(zhì)和多孔正極組成，它憑借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(guān)注。

放電時，O2在鋰-氧氣電池的多孔正極中被還原，并與電解液中的鋰離子結(jié)合生成放電產(chǎn)物Li2O2(過氧化鋰);充電時，產(chǎn)物Li2O2可逆分解。充/放電過程的總反應為2Li + O2 → Li2O2，理論電壓為2.96 V。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。

因此，盡管“空氣發(fā)電”被認為是極具發(fā)展前景的下一代電池體系，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(fā)展和應用的腳步。

“目前，主要的解決辦法是采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1.0 V左右，意味著電池充完電，即使在不放電的情況下就已經(jīng)損失了30%左右，而可溶性氧化還原媒介會擴散到鋰負極發(fā)生副反應，降低電池能量效率。因此，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。

加一面“聚光鏡”加快鋰-氧氣電池反應

光激發(fā)半導體產(chǎn)生的光電子和空穴可極大提升電化學反應動力學。采用能帶結(jié)構(gòu)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，目前采用的半導體光吸收主要集中在紫外光區(qū)，僅占太陽光譜的4%，高的載流子復合率也使得載流子壽命和正極反應動力學不匹配。設(shè)計可見光吸收且長載流子壽命的半導體催化劑對光助鋰-氧氣電池至關(guān)重要。

李福軍團隊一直致力于鋰-氧氣電池新機制的研究，將半導體材料應用于光響應的鋰-氧氣電池和鋅-空氣電池中。經(jīng)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，制備出金/氮化碳異質(zhì)結(jié)，并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(fā)現(xiàn)，金納米顆粒的等離激元增強效應可大幅提升可見光的吸收，異質(zhì)結(jié)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并活化氧氣，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(chǎn)物Li2O2的生成;充電時，空穴在外加電壓驅(qū)動下高效氧化Li2O2，釋放氧氣。

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

改進后的鋰-氧氣電池的放電電壓提高到3.16 V，超過了無光照時的平衡電壓200 mV，意味著在放電過程中，鋰-氧氣電池也可以將部分光能被轉(zhuǎn)化成電能輸出;充電時，光能被轉(zhuǎn)化成化學能存儲在鋰-氧氣電池中，使充電電壓降至3.26 V，電池的充/放電電壓差減小至0.2 V，同時也獲得了優(yōu)異的電池倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

李福軍表示，這項新的突破將能夠直接將光能在電池中實現(xiàn)轉(zhuǎn)化和存儲，將為太陽能發(fā)電和存儲提供新策略。(陳曦 吳軍輝)