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華東理工江浩AM：新紀(jì)錄！光充電鋰離子電池，100次循環(huán)后無容量損失！

通過光照射為鋰離子電池 (LIB) 供電將帶來儲(chǔ)能技術(shù)的范式轉(zhuǎn)變，與光響應(yīng)材料耦合的SnO₂負(fù)極是有前途的策略，并且非常需要進(jìn)一步將其能量密度提高到理論值。其技術(shù)關(guān)鍵是在原子尺度上合理地耦合這兩種材料，以優(yōu)化太陽能向電力的轉(zhuǎn)換，但仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

在此，華東理工大學(xué)江浩教授等人開發(fā)了一種采用SnO₂/TiO₂異質(zhì)結(jié)納米陣列作為多功能負(fù)極的光加速可充電LIB。LixTiO₂ (x≥0) 在光照射下產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)協(xié)同增強(qiáng)了SnO₂和TiO₂的鋰化動(dòng)力學(xué)和電化學(xué)可逆性。

具體而言，由于導(dǎo)帶電位（相對(duì)于TiO₂）更高，電子可以快速注入SnO₂和生成的Sn，同時(shí)空穴還通過達(dá)到電荷平衡促進(jìn)Li⁺嵌入TiO₂。作者通過DFT理論計(jì)算以及在實(shí)驗(yàn)上通過原位技術(shù)及其脫鋰機(jī)制分析進(jìn)一步驗(yàn)證了這一事實(shí)。

圖1. SnO₂ /TiO₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和光輔助電化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)機(jī)制

因此，這種交互作用導(dǎo)致LIB面積比容量在5 mA cm^-2時(shí)從1.91顯著增加到3.47 mAh cm^-2，可以通過打開或關(guān)閉氙燈自由切換。更令人印象深刻的是，由于強(qiáng)大而穩(wěn)定的光響應(yīng)電流，即使在連續(xù)光照下100次循環(huán)也沒有容量損失。

根據(jù)瞬態(tài)光電流評(píng)估，該結(jié)果是迄今為止最好的光可充電LIB性能報(bào)告，這主要是由于 SnO₂/TiO₂異質(zhì)結(jié)納米陣列的強(qiáng)而穩(wěn)定的光響應(yīng)電流。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為通過太陽能的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)打破電池容量限制開辟了一條新途徑。

圖2. SnO₂/TiO₂電極的光響應(yīng)能力

Light-Motivated SnO₂/TiO₂ Heterojunctions Enabling the Breakthrough in Energy Density for Lithium-Ion Batteries, Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202103558

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