上海硅酸鹽所鋰氧氣電池亞穩態催化劑研究獲進展

　　鋰氧氣電池是利用鋰金屬和空氣中的氧氣實現化學能-電能直接轉換的清潔儲能體系。根據鋰金屬質量計算的二次鋰氧氣電池的理論能量密度達11400W·h/kg，接近汽油的能量密度（13000W·h/kg），這是將其應用于新能源汽車動力電源的研究源動力。如果計入來自空氣的反應物氧氣的質量，其理論能量密度為3505W·h/kg（Li2O2），能夠實現的能量密度預計可達600W·h/kg以上，應用于新能源汽車可使得一次充電續航里程達到500-800 km，是實現我國提出的新能源汽車動力電池發展目標的重要的電化學儲能體系。然而，這種電池體系在較大程度上受到陰極表面電化學形成的過氧化鋰（Li2O2）的限制，導致低實際容量和電池過早失效。 

　　近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員張濤團隊與劉建軍團隊合作，發表了基于“原位電化學策略”制備具有亞穩態表面層的氧化物催化劑的系列工作。研究經第一性原理計算和電化學實驗驗證發現，氧氣可以通過鈰-氧反應與電解質中溶解的鈰陽離子結合，形成具有高能亞穩態表面的氧化鈰催化劑。這種催化劑表面具有大量不飽和活性位點，且在晶格O和相鄰的Ce原子之間架起電子傳輸橋。這種Ce-O軌道雜化還形成了從CeO2的Ce-4f到Li2O2的O22--π*的直接電荷轉移通道，最終通過隨后發生的鋰氧反應在亞穩態催化劑表面生長出厚度達亞微米級的Li2O2殼層。該工作將鋰氧氣電池的可逆容量從普遍報道的1000 mAh/g提升到10000 mAh/g，且具備良好的循環性能。相關成果以Unlock restricted capacity via O-Ce hybridization for Li-oxygen batteries為題，發表在Advanced Materials上。 

　　“原位電化學策略”是該團隊提出的利用鋰氧氣電池的氧化環境，在電池放電過程中通過高平衡電位的金屬-氧氣電化學反應制備亞穩態金屬氧化物催化劑的方法。通過這一策略制得的氧化物催化劑，一方面可在催化劑表面產生低配位活性位點，提高催化劑的表面催化活性；另一方面可調控催化劑的表面電子結構，增強氧化物催化劑與鋰氧產物間的界面電荷轉移能力。前期工作提出了可在室溫下合成亞穩態氧化鎵催化劑的方法，為同時提高鋰氧氣電池的放電容量和能量效率提供了新思路。相關成果以Partial disproportionation gallium-oxygen reaction boosts lithium-oxygen batteries為題，發表在Energy Storage Materials上，并已申請國家發明專利。 

　　研究工作得到國家自然科學基金、國家高層次人才專項特殊支持計劃、上海市科學技術委員會“科技創新行動計劃”、高性能陶瓷和超微結構國家重點實驗室、山東泰安產業技術創新研究院等的支持。 

在鋰氧氣電池中通過金屬-氧電化學反應活化氧氣分子

原位CeO2-δ及CeO2-δ@Li2O2的結構特征

具有高容量的鋰氧氣電池的電化學循環性能

第一性原理計算和導電探針原子力顯微鏡測試