Fabrication of photo-assisted hybrid lithium-oxygen battery and its photo electrochemical reaction mechanism

光辅助混合锂氧电池的制备及其光电化学反应机理

• 批准号: 20F20336
• 负责人: 馬 仁志
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: National Institute for Materials Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-11-13 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20F20336/
• 关键词: 空気電池; 光電気化学; 半導体電極; リチウム空気電池

p型半導体ポリトリチオフェン(pTTh)とn型半導体ヘマタイト(α-Fe2O3)の形態および構造設計を行い、高い光電特性と動作可能性を備えた新型Li-O2電池を作製した。p型半導体への光照射によって生成された光生成電子が酸素還元を促進し、OH-を生成する。放電プロセスにおいて、LiOHは電解液に溶解することにより、酸素カソードによく起こる閉塞現象を解消できる。一方、n型半導体側の光生成正孔は、OH-から酸素への酸化を促進することによって充電電位を大幅に低下させる利点がある。半導体電極の光電特性の評価を通じて、Li-O2電池の充放電電圧と半導体カソードのエネルギーバンド構造との相関関係を明らかにし、ヘマタイトとpTThを光電極およびカソードとして「サンドイッチ構造」を設計した。これで構築した光アシスト水系Li-O2電池の放電電位は3.41Vに達し、充電電位が3.12Vに抑えることができた。そのエネルギー効率が109%と非常に高く、優れたレート性能とサイクル寿命を実現した。また、可視光をトラップする光電極を設計するため、MoS2/ZnIn2S4ナノシートのヘテロ接合体を作製した。MoS2/ZnIn2S4カソードを用いた光アシストLi-O2電池において、光生成されたキャリアが酸素還元と酸素発生反応を有効に促進し、放電電位が3.18Vと高く、充電電位が3.29Vと低くなることが分かった。その結果、過電圧が0.11Vと極めて小さい値に抑え、光照射の下で電池のエネルギー効率は暗状態での69.2%から96.7%に大幅なアップを達成した。

p-type semiconductor (pTTh) and n-type semiconductor (α-Fe2O3) morphology design, high photoelectric characteristics and operation possibility Photogenerated electrons from p-type semiconductors are promoted by light irradiation, and OH-is generated. With the addition of LiOH, LiOH dissolves in the electrolyte, and the red phenomenon of acid rising when the acid is good will be eliminated. The photo-generated positive holes on the side of the square and n-type semiconductors are also favorable for promoting the acidification of OH-doped silicon. Evaluation of photoelectric characteristics of semiconductor electrodes, charging voltage of Li-O2 battery, semiconductor structure and correlation, design of photoelectric electrode structure The discharge potential of Li-O2 battery is 3.41V, and the charge potential is 3.12V. The efficiency of the product is 109%, which is very high, and the performance of the product is excellent. Design and manufacture of MoS2/ZnIn2S4 photoelectrode MoS2/ZnIn2S4 can be used in Li-O2 battery. Photogeneration can be promoted. The discharge potential is high at 3.18V and the charge potential is low at 3.29V. As a result, the overvoltage was 0.11V, the battery life efficiency was 69.2% and 96.7% respectively under light irradiation.

项目成果

Aqueous Formate‐Based Li‐CO2 Battery with Low Charge Overpotential and High Working Voltage

• DOI: 10.1002/aenm.202101630
• 发表时间: 2021-07
• 期刊: Advanced Energy Materials
• 影响因子: 27.8
• 作者: Hairong Xue;H. Gong;Xueyi Lu;Bin Gao;Tao Wang;Jianping He;Y. Yamauchi;T. Sasaki;R. Ma

Aprotic Lithium‐Carbon Dioxide Batteries: Reaction Mechanism and Catalyst Design

• DOI: 10.1002/tcr.202200109
• 发表时间: 2022-07
• 期刊: The Chemical Record
• 作者: Yunyun Xu;Yujiao Xia;Hairong Xue;Hao Gong;Kun Chang;Jianping He;Tao Wang-;R. Ma

Photo-Enhanced Rechargeable High-Energy-Density Metal Batteries for Solar Energy Conversion and Storage

• DOI: 10.26599/nre.2022.9120007
• 发表时间: 2022-05
• 期刊: Nano Research Energy
• 作者: R. Ma;Hairong Xue;Hao Gong;Y. Yamauchi;T. Sasaki