复旦大学团队实现电化学储能技术新突破

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在各种储能和转换技术中，可充电锂氧气电池以其优异的理论能量密度而引起了广泛关注，其理论能量密度是传统锂离子电池的近十倍"非常有希望应用于商业化的电化学储能设备，从而缓解能源危机和减少环境污染等问题。然而，锂空气电池仍然面临很多的挑战，包括低于预期的比容量、相当高的过电势和缺乏循环稳定性等。这也就意味着，引入具有合理结构的正极催化剂材料来促进锂空气电池缓慢的电极动力学过程是十分迫切的。常用的高效催化剂有贵金属及合金、过渡金属氧化物、钙钛矿和金属氮化物、碳化物等。其中，过渡金属氧化物具有成本低、易合成、储量丰富以及催化活性高等优点，已被广泛用作锂氧气电池的正极材料。而氧化铈（CeO2）是一种由面心立方晶胞组成的方萤石结构，具有良好的结构稳定性和优异的催化活性。它的电子排布比较独特，在催化过程中，Ce3+和Ce4+之间容易相互转化，可以保证充放电反应的持续快速发生。另外，CeO2的结构中存在氧空位缺陷，可以在锂氧气电池放电反应中达到氧气泵的效果，将其用作锂氧气电池催化剂从而实现其电化学性能的大幅提升是十分具有发展前景的。因此，利用超组装合成策略把精准控制的氧化铈纳米晶体与多维多尺度的框架结构相结合，可以实现智能化锂氧气电池的新突破。

【成果简介】

近日，复旦大学孔彪研究员（通讯作者）等在Advanced Energy Materials(IF 24.884)期刊上在线发表了题为“Interfacial Super-Assembled Porous CeO2/C Frameworks Featuring Efficient and Sensitive Decomposing Li2O2for Smart Li-O2Batteries”的文章。全文提出了关于锂氧气电池正极材料的智能化设计理念，首次利用超组装的多孔CeO2/C框架材料用作正极催化剂，实现了Li2O2薄膜在充放电过程中高效可逆地智能化吸附和分解，从而获得了锂氧气电池稳定的长循环寿命和优异的倍率性能。其中，尺寸为5 nm左右的CeO2纳米立方体通过超组装方式进入反蛋白石结构碳框架材料，成功地解决了CeO2的导电性差且在催化氧还原反应时，容易产生过厚的Li2O2薄膜的问题(Nano Lett. 2016" 16" 2969-2974)。另外，精准合成的超组装CeO2纳米立方体，暴露了其催化活性较高的(100)晶面，并且尺寸控制在5 nm左右，有利于实现CeO2材料的最佳催化性能。此外，在对放电过程中Li2O2薄膜产生机理的探索中，借助密度泛函理论计算和非原位光电子能谱分析发现，在放电过程中，Li2O2薄膜形成于一种表面成核机制，分为三步：1.游离氧的吸附，2.氧气结合一个Li+形成LiO2，3.LiO2再结合一个Li+形成Li2O2。这种超组装框架结构用于正极材料的设计理念和对放电产物的机理探讨，可以对后续锂氧气电池的智能化设计有一定的启发。

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