厦大《AFM》​：磷空位和异质结界面作为长循环寿命锂氧电池的有效过氧化锂促进剂

在全球追寻“减碳”的大趋势下，构建以绿色新能源为核心的新动力体系，加速汽车电动化转型，已成为实现碳中和目标的主要途径。在众多清洁能源新体系研究中，理论能量密度高达3500Wh kg⁻¹的非质子型锂氧电池(LOBs)有望成为解决电动汽车续航能力不足问题的新一代储能装置。空位/界面工程可以通过调控局部电子结构来影响反应中间体的吸附和催化活性，这是提高LOB性能的关键。

来自厦门大学的学者简单地合成了具有磷空位和界面接触的MoO₂负载的Mo₃P@Mo纳米复合材料，并将其用作电催化剂来控制Li₂O₂的形貌,从而提高LOBS的电化学性能。纳米复合材料具有良好的电化学性能。较低的过电位和超长的循环稳定性，可以在500 mA g⁻¹下稳定循环500次，往返效率接近100%，在2 V的较低截止电压下可以工作1370 h而没有失效。本研究通过第一性原理计算和实验研究的结果解释了界面和磷空位的影响以及催化机理。相关文章以“Phosphorus Vacancies and Heterojunction Interface as Effective Lithium-Peroxide Promoter for Long-Cycle Life Lithium–Oxygen Batteries”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202209876

图1. a） 前驱体合成和磷化工艺示意图;b） XRD图谱;；c)相应的SEM图像；MoO₂负载的Mo₃P@Mo的TEM图像；e，f) MoO₂负负载Mo₃P@Mo的一些重要区域的HR-TEM；g)区域I HR-TEM，插图是相关的FFT图案；h)区域I逆FFT假彩色图像；I)区域II HR-TEM和插图是相关的FFT模式；j)区域II逆FFT假彩色图像.

图2. a) 2.0-4.5 V范围内5 mV s⁻¹下不同正极的CV曲线;b)不同正极1C = 500 mA g⁻¹的速率性能比较;c)在500 mA h g⁻¹的极限容量下，不同正极在100 mA g⁻¹的充放电曲线;d) 2.0-4.5 V深度放电/充电条件下不同电流密度下不同电极的往返效率;e)在500 mA h g⁻¹的极限容量下，不同正极在500 mA g⁻¹下的循环性能。

图3. 完全放电/充电后不同正极的SEM图像和Li 1s XPS分析:a,d,g) MoO₂负载Mo₃P@Mo; b、e、h) MoO₂/ Mo₃P;c、f i) MoO₂ /MoP/ Mo₃P.

图4. MoO₂负载的锂氧电池Mo₃P@Mo正极充放电过程中不同阶段的XPS光谱和SEM图像:a)在1000 mAh g⁻¹的极限容量下，500mA g⁻¹的典型充放电曲线;b) I阶段SEM图像和f) Li 1s XPS光谱;c) II阶段SEM图像和g) Li 1s XPS光谱;d) III期SEM图像和h) Li 1s XPS谱;e) IV阶段SEM图像和i) Li 1s XPS光谱MoO₂负载的锂氧电池Mo₃P@Mo正极充放电过程中不同阶段的XPS光谱和SEM图像:a)在1000 mAh g⁻¹的极限容量下，500mA g⁻¹的典型充放电曲线.

图5. 充电和放电机制的DFT研究: a）Mo₃P、Mo₃P@Mo和Mo₃P（PV）@Mo的态分密度（PDOS）。Mo₃P@Mo和Mo₃P（PV）@Mo的PDOS几乎重合;b） 费米能级作为功函数的图。c） Mo₃P@Mo和Mo₃P（PV）@Mo的平面平均CDD;d）电化学催化剂表面锂离子和O离子可能反应路径的原子构型;e） ORR中间体对路径1和路径2的吸附能（Eads）;f）Mo₃P、Mo₃P@Mo 和Mo₃P（PV）@Mo 上充放电过程的自由能图。插图是电荷过电位.

本论文采用简单的氢气热还原和磷化方法合成了高效、耐久的MoO₂负载Mo₃P@Mo催化剂。磷空位和异质界面的存在有效增强了对反应中间体的捕获能力，表面暴露的金属钼增强了催化活性，异质界面促进了不同组分间的电荷转移。MoO₂负载的Mo₃P@Mo纳米棒具有独特的多孔开放结构，诱导形成良好的产物电极界面，能有效促进Li₂O₂的分解和氧的扩散。因此，在MoO₂支持的Mo₃P@Mo存在下，LOB在500 mA g^-1下表现出优异的循环性能，稳定循环500次，并且在无限容量下的逆效率接近100% (99.4%)，在连续循环下表现出良好的倍率性能。DFT计算结果证实，界面与PV之间的耦合作用不仅保证了放电过程的效率和循环过程中产物的稳定性，而且降低了充电过电位，促进了产物的分解。鉴于以上情况，本研究通过改变磷空位的浓度，构建了一种具有独特电子结构的催化剂，可以有效控制放电产物的形貌。这项工作为开发TMPs催化剂以提高LOB的性能提供了有效的策略。（文：SSC）