背景介绍

可充电锂-氧气（Li-O₂）电池是一种有前景的能量转换与存储技术。在放电过程中，金属 Li 负极发生氧化反应和正极发生O₂还原反应（ORR）；而在充电过程中，负极发生Li⁺还原和正极析出 O₂（OER）。Li-O₂ 电池充放电总反应为 O₂ + 2Li⁺ + 2e^- ↔ 2Li₂O₂（ΔG⁰ = -571 kJ mol^-1，E⁰ = 2.96 V vs. Li⁺/Li）的两电子转化反应，理论能量密度高达 3560 Wh kg^-1，这比基于拓扑化学的商用锂离子电池高约 8 倍左右。但是，Li-O₂ 电池通常受电极和电解质界面处 ORR/OER 动力学迟缓以及放电产物 Li₂O₂ 绝缘特性的影响，导致电池反应的能垒较高，放电/充电过电压大于 1.0 V，往返效率小于 70%。为改善 Li-O₂ 电池的 ORR 和 OER 反应动力学，科研工作者在开发高效 O₂ 电催化剂（如：贵金属、金属氧化物/硫化物、金属有机骨架、共价有机骨架等）和氧化还原媒介等方面投入了大量精力。然而，Li-O₂ 电池仍面临电催化剂催化活性不足、选择性差、不稳定等问题，而氧化还原媒介则可能加剧 Li 负极的腐蚀和钝化。

近年来，光被引入金属-空气电池中，以解决 Li-O₂ 电池 ORR/OER 极化大和往返效率低的难题。在光照条件下，O₂ 的光电化学反应使得 Li-O₂ 电池的 ORR 和 OER 动力学得到了提升，放电/充电过电压显著降低，能量效率显著提高。目前，光诱导 Li-O₂ 电池这一新兴的研究领域发展快速，但面临诸多挑战。因此，该综述论文讨论了 Li-O₂ 电池中氧气的光电化学反应机理、最新研究进展、以及所面临的挑战与进一步发展方向。

对此，南开大学化学学院李福军研究员等撰写了光诱导 Li-O₂ 电池综述文章。系统介绍和讨论了 Li-O₂ 电池充放电过程中的 O₂ 电化学和光电化学反应，重点介绍了光诱导 Li-O₂ 电池中的光电化学反应机理；概述了在电极材料设计、电池结构和电池稳定性等方面的最新进展；提出了光诱导 Li-O₂ 电池所面临的主要挑战和发展前景。该综述将加深人们对光诱导 Li-O₂ 电池的认识，并促进光能在电化学器件中的应用研究。

该成果以“Photoelectrochemistry of oxygen in rechargeable Li-O₂ batteries” 为题发表于 Chem. Soc. Rev.，并被选为期刊封面文章（Front Inside Cover）。南开大学化学学院博士研究生杜东峰为本文第一作者，李福军研究员为本文通讯作者。

光诱导 Li-O₂ 电池的正极包括载流子产生和电催化反应两个至关重要的过程。半导体中载流子的寿命和浓度与半导体的微结构、能带结构和带隙有关；电催化性能则取决于电极材料对 O₂ 的吸附/解吸、催化活性、比表面积和孔结构。尽管光诱导 Li-O₂ 电池在材料设计、电解质配方和电池配置方面取得了较大的进展，但对 Li-O₂ 电池的深入了解还不够，特别是在正极反应的速率决定步骤方面。

此外，光诱导 Li-O₂ 电池的正极、电解液和锂负极中存在很多难题。据报道，半导体在光照条件下会产生单线态氧（¹O₂），以及其他活性氧，可诱导电解质溶剂降解。同时，虽然半导体的光腐蚀速度较慢，但长期充放电过程中影响还是较大的。这些都将影响 Li-O₂ 电池的循环稳定性，但目前对 Li-O₂ 电池的 ¹O₂ 生成和光腐蚀的研究非常有限。对于锂负极来说，在各种活性氧物种存在的情况下，锂枝晶可能更容易产生，并引起安全问题。因此，高性能的光诱导 Li-O₂ 电池将高度依赖于半导体正极、电解质和锂负极的优化，以及它们之间的兼容性。目前来看，光诱导 Li-O₂ 电池的进一步发展将集中在提高速率性能和循环稳定性，以及理解反应动力学方面。这将依赖于不同学科背景研究人员之间的通力合作，有望在未来的应用中克服光诱导电池的关键科学和技术难题。

• Photoelectrochemistry of oxygen in rechargeable Li-O₂ batteries.
  Dongfeng Du, Zhuo Zhu, Kwong-Yu Chan, Fujun Li*(李福军，南开大学) and Jun Chen
  Chem. Soc. Rev., 2022, 51, 1846-1860.
  http://doi.org/10.1039/D1CS00877C

  

  
  

李福军 研究员

南开大学

李福军，南开大学化学学院特聘研究员、博士生导师，国家优秀青年基金（2018）、天津市杰出青年基金（2019）、中国电化学青年奖（2021）获得者。2015 年 9 月加入南开大学先进能源材料化学教育部重点实验室。课题组主要从事金属-空气和钠离子电池关键材料及反应机理研究。近 5 年来，在 PNAS、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、Adv. Energy Mater. 等国际知名学术期刊上发表论文 50 余篇。