可充電鋰-氧氣（Li-O₂）電池是一種有前景的能量轉(zhuǎn)換與存儲技術(shù)。在放電過程中，金屬 Li 負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)和正極發(fā)生O₂還原反應(yīng)（ORR）；而在充電過程中，負(fù)極發(fā)生Li⁺還原和正極析出 O₂（OER）。Li-O₂ 電池充放電總反應(yīng)為 O₂ + 2Li⁺ + 2e^- ? 2Li₂O₂（ΔG⁰ = -571 kJ mol^-1，E⁰ = 2.96 V vs. Li⁺/Li）的兩電子轉(zhuǎn)化反應(yīng)，理論能量密度高達(dá) 3560 Wh kg^-1，這比基于拓?fù)浠瘜W(xué)的商用鋰離子電池高約 8 倍左右。但是，Li-O₂ 電池通常受電極和電解質(zhì)界面處 ORR/OER 動力學(xué)遲緩以及放電產(chǎn)物 Li₂O₂ 絕緣特性的影響，導(dǎo)致電池反應(yīng)的能壘較高，放電/充電過電壓大于 1.0 V，往返效率小于 70%。為改善 Li-O₂ 電池的 ORR 和 OER 反應(yīng)動力學(xué)，科研工作者在開發(fā)高效 O₂ 電催化劑（如：貴金屬、金屬氧化物/硫化物、金屬有機(jī)骨架、共價有機(jī)骨架等）和氧化還原媒介等方面投入了大量精力。然而，Li-O₂ 電池仍面臨電催化劑催化活性不足、選擇性差、不穩(wěn)定等問題，而氧化還原媒介則可能加劇 Li 負(fù)極的腐蝕和鈍化。

近年來，光被引入金屬-空氣電池中，以解決 Li-O₂ 電池 ORR/OER 極化大和往返效率低的難題。在光照條件下，O₂ 的光電化學(xué)反應(yīng)使得 Li-O₂ 電池的 ORR 和 OER 動力學(xué)得到了提升，放電/充電過電壓顯著降低，能量效率顯著提高。目前，光誘導(dǎo) Li-O₂ 電池這一新興的研究領(lǐng)域發(fā)展快速，但面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，該綜述論文討論了 Li-O₂ 電池中氧氣的光電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、最新研究進(jìn)展、以及所面臨的挑戰(zhàn)與進(jìn)一步發(fā)展方向。

對此，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院李福軍研究員等撰寫了光誘導(dǎo) Li-O₂ 電池綜述文章。系統(tǒng)介紹和討論了 Li-O₂ 電池充放電過程中的 O₂ 電化學(xué)和光電化學(xué)反應(yīng)，重點介紹了光誘導(dǎo) Li-O₂ 電池中的光電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理；概述了在電極材料設(shè)計、電池結(jié)構(gòu)和電池穩(wěn)定性等方面的最新進(jìn)展；提出了光誘導(dǎo) Li-O₂ 電池所面臨的主要挑戰(zhàn)和發(fā)展前景。該綜述將加深人們對光誘導(dǎo) Li-O₂ 電池的認(rèn)識，并促進(jìn)光能在電化學(xué)器件中的應(yīng)用研究。

該成果以“Photoelectrochemistry of oxygen in rechargeable Li-O₂ batteries” 為題發(fā)表于 Chem. Soc. Rev.，并被選為期刊封面文章（Front Inside Cover）。南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士研究生杜東峰為本文第一作者，李福軍研究員為本文通訊作者。

光誘導(dǎo) Li-O₂ 電池的正極包括載流子產(chǎn)生和電催化反應(yīng)兩個至關(guān)重要的過程。半導(dǎo)體中載流子的壽命和濃度與半導(dǎo)體的微結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和帶隙有關(guān)；電催化性能則取決于電極材料對 O₂ 的吸附/解吸、催化活性、比表面積和孔結(jié)構(gòu)。盡管光誘導(dǎo) Li-O₂ 電池在材料設(shè)計、電解質(zhì)配方和電池配置方面取得了較大的進(jìn)展，但對 Li-O₂ 電池的深入了解還不夠，特別是在正極反應(yīng)的速率決定步驟方面。

此外，光誘導(dǎo) Li-O₂ 電池的正極、電解液和鋰負(fù)極中存在很多難題。據(jù)報道，半導(dǎo)體在光照條件下會產(chǎn)生單線態(tài)氧（¹O₂），以及其他活性氧，可誘導(dǎo)電解質(zhì)溶劑降解。同時，雖然半導(dǎo)體的光腐蝕速度較慢，但長期充放電過程中影響還是較大的。這些都將影響 Li-O₂ 電池的循環(huán)穩(wěn)定性，但目前對 Li-O₂ 電池的 ¹O₂ 生成和光腐蝕的研究非常有限。對于鋰負(fù)極來說，在各種活性氧物種存在的情況下，鋰枝晶可能更容易產(chǎn)生，并引起安全問題。因此，高性能的光誘導(dǎo) Li-O₂ 電池將高度依賴于半導(dǎo)體正極、電解質(zhì)和鋰負(fù)極的優(yōu)化，以及它們之間的兼容性。目前來看，光誘導(dǎo) Li-O₂ 電池的進(jìn)一步發(fā)展將集中在提高速率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，以及理解反應(yīng)動力學(xué)方面。這將依賴于不同學(xué)科背景研究人員之間的通力合作，有望在未來的應(yīng)用中克服光誘導(dǎo)電池的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)難題。

• Photoelectrochemistry of oxygen in rechargeable Li-O₂ batteries.
  Dongfeng Du, Zhuo Zhu, Kwong-Yu Chan, Fujun Li*(李福軍，南開大學(xué)) and Jun Chen
  Chem. Soc. Rev., 2022, 51, 1846-1860.
  http://doi.org/10.1039/D1CS00877C

  

  
  

李福軍 研究員

南開大學(xué)

李福軍，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院特聘研究員、博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)秀青年基金（2018）、天津市杰出青年基金（2019）、中國電化學(xué)青年獎（2021）獲得者。2015 年 9 月加入南開大學(xué)先進(jìn)能源材料化學(xué)教育部重點實驗室。課題組主要從事金屬-空氣和鈉離子電池關(guān)鍵材料及反應(yīng)機(jī)理研究。近 5 年來，在 PNAS、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、Adv. Energy Mater. 等國際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文 50 余篇。