锂空气电池自催化新体系的理论与实验研究

锂空气电池（LAB）具有11.4 kWh kg⁻¹的超高理论能量密度，是极具潜力的高能量密度二次电池体系。在有机相LAB中，放电产物为固态Li₂O₂，具有绝缘性，导致正极反应动力学缓慢，电池性能大大受限。为解决这一挑战，大量的研究集中在开发和设计双功能电催化剂和氧化还原媒介体，以促进ORR和OER过程。最近，有研究报道纳米缺陷Li₂O₂的形成，可有效降低过电位，获得一种高能量效率的LAB。调控放电产物的固有结构，可优化反应动力学，改善电池性能。然而目前从Li₂O₂的固有特性作为出发点克服这一缺陷的研究相对较少。借助构建一种可调节放电产物本征结构的策略，避免电催化过程的多相界面造成的固-固、固-液界面限制，建立锂空气电池的自催化新体系，是提高锂空气电池正极电催化活性的理想途径。

基于上述问题，金沙威尼斯欢乐娱人城孙根班教授团队与加州大学圣克鲁兹分校陈少伟教授团队合作，利用原位电化学植入法结合理论计算模拟，构建了一种锂空气电池自催化新体系，并系统地研究了其反应机理及电池性能。该工作首先基于密度泛函理论（DFT）进行了理论研究，发现通过金属离子掺杂放电产物Li₂O₂可显著提升LAB性能，进而通过理论计算指导实验筛选出最有效的掺杂元素为Co元素。与原始Li₂O₂相比，CoLi_2-xO₂具有显著增强的导电性、拉长的O-O键和降低的分解势垒。实验中，在电化学过程中将金属离子原位嵌入放电产物Li₂O₂，实现产物结构的内在调控，有效促进了Li₂O₂的分解。这是由于在充放电过程中，Co-Ox位点可作为自催化活性中心，避免多相界面的形成，促进Li_2-xO₂的分解，实现放电产物的自催化。与传统锂空气电池（TLAB）相比，这种自催化锂空气电池（SCLAB）的过电位仅为0.84V。在低极化下可超过118个循环，并实现3000 mA g^-1的快充性能，在10分钟内快速充电至满容量，循环次数为260次。本结果突出了原位结构工程在提高电化学能源技术性能方面的重要性，同时为新型高性能锂空气电池体系的开发和设计提供了全新的思路。

理论模拟筛选

自催化锂空气电池快充性能

该项工作近期发表在国内高水平期刊Energy & Environmental Materials上，研究得到了国家自然科学基金等课题资助。金沙威尼斯欢乐娱人城为第一完成单位，孙根班教授和陈少伟教授为共同通讯作者，袁萌伟和孙泽民博士为论文共同第一作者。论文相关信息如下：Mengwei Yuan, Zemin Sun, Han Yang, Di Wang, Qiming Liu, Caiyun Nan, Huifeng Li, Genban Sun* and Shaowei Chen*, Self-Catalyzed Rechargeable Lithium-Air Battery by in-situ Metal Ion Doping of Discharge Products: A Combined Theoretical and Experimental Study, Energy & Environmental Materials, DOI: 10.1002/eem2.12258.