刘宗怀、李琪团队在光辅助锂-氧电池研究中取得重要进展

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可充电锂-氧（Li-O2）电池的理论能量密度高、氧正极成本低且绿色环保，被认为是最具发展潜力的新一代锂电池。基于2Li+O2 ↔ Li2O2存储机理，Li2O2在充/放电过程中分解/形成动力学缓慢，导致电池呈现高的充电电位（4-4.5 V）和接近O2/Li2O2理论平衡值（2.96 V）的放电电位。利用双功能光电极作为氧正极构筑光辅助Li-O2电池，是实现降低充电过电位且突破现有理论电位瓶颈的有效策略之一，是促进电池体系高性能光电转换与存储的关键。但是，开发高效双功能光催化剂面临巨大挑战。

        近日，我院刘宗怀教授和李琪副教授课题组，采用拓扑化学剥离法成功制备了超大尺寸少层硅氧烯纳米片，并将其应用于光辅助Li-O2电池的光电极。剥离所得硅氧烯纳米片横向尺寸可达63 mm，厚度约为~2.05 nm，具有Kautsky型晶体结构。根据半导体特性测试和电极电势能级分布，硅氧烯纳米片的导带和价带能级电势有利于促进Li2O2的形成/分解，可吸收可见光作为Li-O2电池双功能光催化剂。将所制备的硅氧烯纳米片作为光电极，金属锂作为负极，组装光辅助Li-O2电池。该电池呈现出高的放电电压（3.51 V）和超低充电电位（1.90 V），首次电能转换效率高达185%。同时，该光辅助电池还具有优异的倍率性能（1 mA / cm2、能量效率仍可达129%）、超长的循环寿命（100次循环放/充电后效率保持率为92%）和高的可逆比容量（0.75 mA/cm2、1170 mAh/g）。该研究工作丰富了Li-O2电池光催化剂体系，为实现太阳能与电能的高性能转换和存储提供了巨大机遇。
        相关研究成果以题为“Ultra-large sized siloxene nanosheets as bifunctional photo-catalyst for Li-O2 battery with superior round-trip efficiency and extra-long durability”发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，我院博士研究生贾聪颖为第一作者，刘宗怀教授和李琪副教授为共同通讯作者。
        论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202101991


        文章来源：陕西师范大学
         刘宗怀，陕西师范大学教授(博士生导师)，研究方向： 纳米功能材料及储能材料。研究内容包括：（1）不同电性无机层状化合物的剥离反应新技术及无机纳米层重组过程规律性研究。通过插入反应、离子交换、溶剂润湿等手段，实现不同构造无机层状化合物的膨润乃至剥离；（2）利用剥离得到的不同电性金属氧化物纳米层交互积层复合反应，组装超级电容器用纳米电极材料，期待纳米电极材料具有快速的电荷存贮和电化学反应双重特性，开发无机纳米层复合组装制备纳米超级电容器用电极材料新技术，实现超级电容器的大容量、高功率及高能量密度；（3）以金属氧化锰为主体材料，利用铸型插入反应及高温高压处理等技术，通过控制氧化锰材料的晶相和形貌，制备大比表面积、高热稳定性、介孔新型多孔氧化锰结晶材料，筛选适合超级电容器用电极材料，达到改善超级电容器循环稳定性及能量密度等问题。