张涛、刘建军在锂氧气电池亚稳态催化剂研究方面取得系列进展

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锂氧气电池是利用锂金属和空气中的氧气实现化学能-电能直接转换的清洁储能体系。根据锂金属质量计算的二次锂氧气电池的理论能量密度高达11400W·h/kg，接近于汽油的能量密度（13000W·h/kg），这是将其应用于新能源汽车动力电源的研究源动力。如果计入来自于空气的反应物氧气的质量，其理论能量密度为3505W·h/kg（Li2O2），能够实现的能量密度预计可达到600W·h/kg以上，应用于新能源汽车可使得一次充电续航里程达到500-800 km，是实现我国提出的新能源汽车动力电池发展目标的一种重要的电化学储能体系。然而，这种电池体系在很大程度上受到阴极表面电化学形成的过氧化锂（Li2O2）的限制，最终导致低实际容量和电池过早失效。
　　最近，中国科学院上海硅酸盐研究所的张涛研究员团队与刘建军研究员团队合作发表了基于“原位电化学策略”制备具有亚稳态表面层的氧化物催化剂的系列工作。经第一性原理计算和电化学实验验证发现，氧气可以通过铈-氧反应与电解质中溶解的铈阳离子结合，形成具有高能亚稳态表面的氧化铈催化剂。这种催化剂表面具有大量不饱和活性位点，并且在晶格O和相邻的Ce原子之间架起电子传输桥。这种Ce-O轨道杂化还形成了从CeO2的Ce-4f到Li2O2的O22--π*的直接电荷转移通道，最终通过随后发生的锂氧反应在亚稳态催化剂表面生长出厚度达亚微米级的Li2O2壳层。这项工作将锂氧气电池的可逆容量从普遍报道的1000 mAh/g提升到10000 mAh/g，且具备良好的循环性能。相关研究成果以“Unlock restricted capacity via O-Ce hybridization for Li-oxygen batteries”为题发表在Advanced Materials, 2023, 2210867。

　　“原位电化学策略”是该团队提出的一种利用锂氧气电池的氧化环境，在电池放电过程中通过高平衡电位的金属-氧气电化学反应制备亚稳态金属氧化物催化剂的方法。通过此策略制得的氧化物催化剂一方面可在催化剂表面产生低配位活性位点，提高催化剂的表面催化活性；另一方面可调控催化剂的表面电子结构，增强氧化物催化剂与锂氧产物间的界面电荷转移能力。相关的前期工作也提出了一种可在室温下合成亚稳态氧化镓催化剂的方法，为同时提高锂氧气电池的放电容量和能量效率提供了新思路。相关研究成果以“Partial disproportionation gallium-oxygen reaction boosts lithium-oxygen batteries”为题发表在Energy Storage Materials, 2021, 41, 475，该研究成果已申请一项国家发明专利。
　　以上研究成果的共同第一作者为孙壮副研究员，赵晓慧博士和邱吴劼副研究员，共同通讯作者为张涛研究员和刘建军研究员。此研究工作得到了国家自然科学基金、国家高层次人才专项支持计划、上海市科委科技创新行动计划、国家重点实验室主任基金及山东泰安产业技术创新研究院等的资助和支持。
　　附文章链接：  
　　https://doi.org/10.1002/adma.202210867
　　https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.06.016  


       在锂氧气电池中通过金属-氧电化学反应活化氧气分子
       文章来源：上海硅酸盐所
       张涛，研究员，中国科学院上海硅酸盐研究所博士生导师，中国科学院“百人计划”入选者。2007年毕业于复旦大学化学系物理化学专业，师从吴浩青院士，获得理学博士学位。毕业后在上海大学理学院任讲师。2008年开始先后在日本国立三重大学和日本国立产业技术综合研究所从事高比能电池材料和器件的研究。2015年加入中国科学院上海硅酸盐研究所，入选中国科学院“引进海外杰出人才”百人计划，并作为核心人员承担国防基础科研重点项目开发长续航高比能特种电源。2016年入选第六批上海“##计划”。至今在化学储能材料及器件领域发表SCI论文60余篇，被引用2700余次，其中被他引次数超过2500次（h-index=34，所有被引次数源自Web of Science核心合集）。论文发表的期刊包括Nature Communications（2篇），Angew. Chem. Int. Ed.（1篇），Energy & Environmental Science（5篇），Advanced Energy Materials（2篇），Nano Letters（1篇），ChemSusChem（2篇），Chemical Communications（1篇），Journal of Materials Chemistry（1篇），Journal of Power Sources（17篇），Journal of the Electrochemical Society（4篇）等。已获授权中国发明专利5项，获授权日本发明专利1项。担任国际电化学能源科学院Board Committee Member，多次受邀在IUPAC国际新材料大会、亚太材料学会、日德纳米材料学术论坛和全国固态离子学会议上作邀请报告，是Energy & Environmental Science，Angew. Chem. Int. Ed.，ChemSusChem，Nano Energy，Journal of Materials Chemistry A，Journal of Electrochemical Society等学术期刊审稿人。
         刘建军，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师。2002年博士毕业于吉林大学理论化学研究所，2002年在德国马普所做访问学者，2003年1月赴美国Emory埃莫瑞大学的科学计算中心从事博士后研究工作，2005年后在美国南伊利诺伊大学做助理科学家，2012年开始在中国科学院上海硅酸盐研究所工作。主要利用材料基因工程理论方法研究无机材料的组成-结构-性能关系，开展材料结构设计与性能优化计算与实验研究。