吉林大学徐吉静教授《JACS》：MOF衍生的混合导体实现高稳定光辅助固态Li-O₂电池

对高能量可持续充电电池的需求推动了锂氧（Li-O₂）电池的发展。然而，液态电解质固有的安全问题和现有正极的迟缓反应动力学仍然是基本挑战。

近日，吉林大学徐吉静教授展示了一种基于金属有机框架衍生的混合离子/电子导体的有前景光辅助固态Li-O₂电池，其中该混合离子/电子导可同时作为固态电解质（SSE）和正极。研究显示，混合导体可以有效地收集紫外线-可见光，产生大量的光电子和空穴，这有利于参与电化学反应，并有助于大大改善反应动力学。此外，根据对传导行为的研究，作者发现作为SSE的混合导体具有出色的Li⁺导电性（25℃时为1.52×10^-4 S cm^-1）和卓越的化学/电化学稳定性（尤其是对H₂O、O^2-等）。受益于上述优势，混合离子电子导体在光辅助固态Li-O₂电池中的应用进一步表明，通过同时设计SSE和正极，可以实现高能量效率（94.2%）和长寿命（320次）。另外，这些成果在加速发展安全和高性能固态电池方面呈现出广泛的普适性。

文章要点：

1. 这项工作成功构建了一种新型的光辅助固态Li-O₂电池，它结合了固态Li-O₂电池和光辅助Li-O₂电池的优点，由锂负极、固态电解质（SSE）和固态正极（SSC）组成。

2. 与传统的SSC不同，除了由离子导体和电子导体组成的连续反应区以促进ORR/OER过程外，内在的光学特性和高光吸收效率对于光辅助SSC也是非常重要的。一个有效的方法是开发一种能同时传导电子和锂离子的多功能材料，即离子-电子混合导体。而金属有机框架（MOFs）是离子-电子混合导体的合适选择，因为它们对快速电子和锂离子传导具有有利的可调性。此外，MOFs中的连接体可以收获太阳光来产生分离的电子和空穴，从而赋予MOFs增强电子传导性的巨大潜力。基于此，作者设计了一种MOF衍生的混合导体NH₂-MIL-125-Li，它被制作成光催化剂和SSE，用于双功能光辅助固态Li-O₂电池，表现出强大的动力学、卓越的电子/离子导电性和电化学耐久性。

3. 研究显示，NH₂-MIL-125-Li实现了高效的紫外-可见光收集、丰富的电子-空穴对生成，以及在光/电化学过程中对载体的充分利用，从而导致反应动力学的极大改善。此外，NH₂-MIL-125-Li在室温下显示出1.52×10_-4 S cm_-1的高离子传导率和0.72的高Li⁺转移数。

4. 因此，高度稳定的光辅助固态Li-O₂电池在320次可逆循环中表现出90%以上的能效。这种材料设计和电池组装方面的成功可能为设计具有高能效的安全固态电池开辟了一条广阔的途径。

图1 光辅助Li-O₂电池的挑战和基于NH₂-MIL-125-Li的固态Li-O₂电池的性能

图2 混合电子/离子导体的合成与分析

图3 NH₂-MIL-125-Li在固态Li-O₂电池中的应用

图4 光辅助固态Li-O₂电池的可逆性和循环性能

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原文链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.2c11839

来源：高分子科学前沿

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