近日，我院先进材料与能源器件团队在光辅助锂-氧气电池研究领域取得新进展，相关工作“The p-n-type PANI/ZnS heterostructure utilizing quantum dot network to achieve low-overpotential photo-assisted lithium-oxygen battery”发表在期刊《Rare Metals》，我院硕士研究生夏双洪、杨洋为论文共同第一作者，陈松博士、李玲教授、张文明教授为共同通讯作者。
可充电锂氧电池（LOB）是下一代能源储存中具有前景的研究方向，它通过氧气的可逆还原和氧化，提供超高容量（约3600 Wh kg-1，与石油相当）。然而，沉积在阴极表面的Li2O2放电产物具有不溶性和绝缘性，导致其形成/分解电位与理论热力学电位2.96 V有较大偏差。这种偏差导致了LOB循环过程中过低的放电电压和过高的充电电压，并促使了低往返效率和电解液分解。为解决这一问题，迫切需要开发一种低成本、环境友好型催化剂，以有效促进Li2O2的形成/分解。最近，研究人员提出了一种新型的光辅助LOB概念，这一概念通过引入光催化剂作为阴极，利用光生载流子参与Li2O2的还原/氧化，从而促进其动力学行为。
本工作成功构建了一种PANI/ZnS双功能光电阴极，并将其应用在光辅助锂-氧气电池中。利用PANI作为负载ZnS QDs的基底，通过构建p-n型异质结调节带隙宽度，从而增加复合材料的吸光范围。PANI本身的宽吸光范围使其作为主要的光电子激发源，光生电子则通过II型异质结转移到ZnS QD。同时，负载的ZnS QDs有效地将单个光子转化为多个电子-空穴对，从而有效改善了LOB的过电位和Li2O2的生长路径。在光照条件下，PANI/ZnS阴极构建的LOB在0.05 mA-cm-2的电流密度下表现出0.06 V的超低过电位，并能稳定循环260圈。此外，理论计算还证明了PANI/ZnS复合材料带隙的成功调制，以及阴极对Li2O吸附能的增强。这种量子点网络构筑和光辅助设计为开发低过电位锂-氧气电池提供了思路。
该研究工作得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金等多项科研项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1007/s12598-024-03134-5
