叶金花&何建平&薛海荣Carbon Energy：MoS2/ZnIn2S4纳米片异质结对高性能锂氧电池放电产物的照明效应

Revealing the illumination effect on the discharge products in high‐performance Li–O₂ batteries with heterostructured photocatalysts

Hao Gong, Tao Wang,* Kun Chang, Peng Li, Lequan Liu, Xingyu Yu, Bin Gao, Hairong Xue,* Renzhi Ma, Jianping He,* Jinhua Ye*

Carbon Energy

DOI: 10.1002/cey2.208

研究背景

锂-氧气电池因其超高的理论能量密度（3505 Wh kg^-1）备受科研工作者的关注，被认为是未来动力能源的理想选择之一。然而，在有机电解液环境下，不溶性的放电产物在多孔电极的表面与内部大量堆积，造成电化学反应三相界面的减少，从而使得电池的充放电性能衰减。宽带绝缘体过氧化锂电化学活性低，分解所需的高过电势也会造成电解液分解等问题，引发一系列副反应并导致电池循环性能下降。目前，半导体产生的电子-空穴载流子能有效辅助锂氧气电池充放电过程，大幅度降低电池的充放电极化，提高电池的能量效率。因此，合理设计光电半导体正极对电池的性能至关重要，构建异质结是非常有效的一种手段。

成果简介

南京林业大学龚浩博士与南京航空航天大学王涛副研究员、何建平教授、日本国立物质材料研究所（NIMS）薛海荣博士以及天津大学-NIMS联合实验室叶金花教授等合作，通过简单的一步水热法，制备具有阵列形貌的MoS₂/ZnIn₂S₄纳米片异质结，通过理论与实验相结合的方式，系统地研究了光辅助电池体系下光照条件对电池电化学性能以及电极反应过程的影响机制。光照下基于MoS₂/ZnIn₂S₄纳米片正极的锂-氧气电池，电极产物形貌由环形（暗态）变为薄膜状过氧化锂，这主要是由于光生电子使得中间态吸附在电极表面，产物的沿着表面路径生长。电化学测试表明，在电流密度0.05 mA cm^-2下，光辅助锂-氧气电池的放电电位突破其热力学平衡电位达到3.17 V，放电电位仅为3.29 V，能量效率高达96%，远高于传统的有机电解液锂-氧气电池。

相关工作以“Revealing the illumination effect on the discharge products in high‐performance Li–O₂ batteries with heterostructured photocatalysts”发表在Carbon Energy。

本文亮点

1. 开发具有阵列形貌的MoS₂/ZnIn₂S₄纳米片异质结作为锂-氧气电池用双功能光电极。

2. 结合DFT理论计算与实验阐明产物过氧化锂的生长过程，解析光生电子在放电过程中的作用机制。

3. 基于异质结阵列正极的光辅助锂-氧气电池具有极其优异的电化学性能，实现了太阳能与储能体系的结合。

图文解析

1. 通过水热法在碳纤维布表面制备MoS₂/ZnIn₂S₄纳米片异质结，利用SEM和TEM对材料的形貌进行表征。SEM图可以直接到碳纤维表面均匀负载了相互连接的纳米片阵列，TEM进一步证实MoS₂均匀负载在ZnIn₂S₄表面。阵列形貌正极的优势在于：通过多次散射和反射提高光子吸收效率，高效分离传输光生载流子，加速正极反应动力学过程；自支撑纳米阵列结构单元比表面积大、活性位点多，利于Li₂O₂的生长与存储，避免电极阻塞。

图1. MoS₂/ZnIn₂S₄纳米片设计示意图、SEM和TEM图。

2. 通过半导体能带结构与载流子寿命的分析，异质结的形成使得电子空穴复合率下降，电子空穴载流子能有效迁移至表面参与电化学反应过程。

图2 半导体能带结构与载流子寿命分析。

3. 相较于暗态下的电化学测试，MoS₂/ZnIn₂S₄纳米片正极在光辅助锂-氧气电池中具有优异的电化学性能。在0.05 mA cm^-2电流密度下，电池的能量效率高达96%，循环超过130小时。在较小电流（0.02 mA cm^-2）下甚至能达到99.1%，即使电流密度达到0.2 mA cm^-2下，电池的极化也仅为0.32 V，能量效率保持在90%以上。

图3 基于MoS₂/ZnIn₂S₄纳米片的光辅助锂-氧气电池电化学性能。

4. 利用XRD、XPS和SEM分析技术，证明了光辅助锂-氧气电池为基于过氧化锂的可逆生成与分解，同时注意到放电产物的形貌为薄膜状吸附在纳米片表面。

图4 充放电产物的物相形貌表征。

5. 结合DFT分析了MoS₂/ZnIn₂S₄异质结中的电子传递方向，并详细分析了光生电子对中间态产物的吸附能变化，以此解释上述产物生长形貌的问题。

图5 DFT理论计算

文章总结

综上所述，通过一步水热法成功制备了MoS₂/ZnIn₂S₄纳米片阵列，形成异质结有效增强了其电子空穴分离效率。基于MoS₂/ZnIn₂S₄异质结的光辅助锂-氧气电池放电电位突破热力学平衡电位，能量效率远超传统的有机电解液锂-氧气电池。通过理论计算与实验相结合的策略，详细分析了产物的形成过程，获得了光照下光生载流子对电化学反应历程的影响机理，加深了对太阳能开发与电化学储能结合的理论认识。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文

论文标题：

Revealing the illumination effect on the discharge products in high‐performance Li–O₂ batteries with heterostructured photocatalysts

论文网址：

https://doi.org/10.1002/cey2.208

DOI:10.1002/cey2.208

往期 · 推荐

点击“阅读原文”，查看文章原文