近日，北京化工大学材料科学与工程学院于中振教授和曲晋副教授团队与中科院化学所郭玉国研究员合作在Energy Storage Mater. (CiteScore=19.9)期刊上发表题为“A Photo-Assisted Reversible Lithium–Sulfur Battery”的学术论文，报道了一种新型的光辅助锂硫电池。这项工作通过双功能正极材料的设计，并将光引入锂硫电池，成功构建了光辅助锂硫电池体系
近年来，在二次电池中利用太阳能，通过光致效应可将太阳能进行转化利用，不仅可以促进二次电池电极电化学反应的进行，又可以减少储能设备的能量损失。锂硫电池，由于其极高的能量密度一直被广泛关注，但其缺点也较为明显，活性物质硫较低的离子、电子电导率导致其在循环过程中的利用率较低，可溶性长链多硫化物的穿梭效应进一步损害其循环稳定性和倍率性能，阻碍其商业化应用。锂硫电化学反应具有典型的异相反应特点，如将太阳能引入锂硫电池，不仅可利用光能补充在充放电过程中损失的电能，还可利用光催化、光电导等效应，解决锂硫体系存在的上述问题，实现低损耗、高比能、低碳化储能体系的构建。
本工作通过水热、浸渍等方法在碳布上原位构筑了CdS-TiO2异质结构，并用作光辅助锂硫电池的多功能正极材料。由于异质结构优异的光捕获能力和光生载流子分离效率，使光生电子在光照下加速放电过程中的硫还原反应，而光生空穴在光照下促进充电过程中的硫析出反应，从而达到较好的光催化效果。实验也证实，在光照条件下，光辅助锂硫电池可以在2.15 V实现Li2S的沉积，比无光照条件下的2.08 V的沉积电位更高，这大大降低了多硫化物在放电过程中转化为Li2S的反应能垒；另外在充电过程中，光生空穴可以将充电电压降低约0.1 V，从而降低充电能量的消耗。进一步的原位/非原位拉曼与XPS光谱学表征证实，光照并未改变硫的转化历程，光致效应只是加速了锂硫电化学反应，提高了电池的动力学性能。同时，光电导效应增加了电极材料的载流子密度，提高锂离子扩散速率，进一步降低电阻并提高动力学性能。此外，光辅助锂硫电池可以实现直接光充电，所获得的608 mA h g-1的放电比容量为锂硫电池理论比容量的36.3%，其光电能量转换效率高达2.3%。最终，光辅助锂硫电池实现了约1225 mA h g-1的稳定可逆容量，并具有100%的表观能量效率，比传统无光的情况下高10%，这表明在300-800 nm波长范围内且0.5个太阳光强照射下的光辅助锂硫电池实现了表观无损耗的能量存储效果。这项工作开辟了光辅助锂硫电池的新领域，可应用于其他储能系统，如钠硫电池、镁硫电池。特别是，光辅助锂硫电池体系可能在高海拔或航空航天等特殊环境中展现出广阔的应用前景。
本文第一作者为刘毓皓硕士，于中振教授、郭玉国研究员和曲晋副教授为本文共同通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。
文章信息：Yu-Hao Liu, Jin Qu,* Wei Chang, Cheng-Ye Yang, Hong-Jun Liu, Xian-Zhi Zhai, Yu Kang, Yu-Guo Guo* and Zhong-Zhen Yu*. A Photo-Assisted Reversible Lithium–Sulfur Battery, Energy Storage Mater. 2022, 50, 334-343.
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.05.030
