随着能源需求的不断增长和可持续发展的要求，金属空气电池因其高能量密度和环保特性，成为下一代储能技术的重点研究对象。催化剂能有效解决其缓慢的正极反应动力学的问题，但不能打破反应的热力学限制。通过引入外场，能突破电极反应的热力学限制，显著提升电池的催化效率和使用寿命。西安交通大学丁书江教授&于伟副教授团队对外场辅助金属空气电池的工作原理和最新研究进展进行了系统的总结，重点介绍了光电极材料的设计策略，磁场辅助的不同效应，以及超声场、应力场、微波场以及多场耦合的一些研究进展。该工作在SusMat上以题为“ External Field-Assisted Metal-Air Batteries: Mechanisms, Progress, and Prospects”在线发表（DOI:10.1002/sus2.251 ）。
图1 不同外场辅助金属空气电池的示意图
我们摘取文章的几部分重点内容进行介绍：
01
机理及设计策略
光辅助金属空气电池的核心机制是利用光照驱动电极材料产生光生电子-空穴对，这些光生载流子参与并促进电极的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）。我们将光阴极材料的设计策略分为了1）形貌调控2）扩大光吸收3）促进载流子分离 这三个方面，并列出了一些最新的研究进展。
图2 （A）光辅助 Li-O2 电池中涉及的反应机制图。（B）带有氧化还原介质的光辅助锂空气电池的示意图。
02
磁辅助金属空气电池的几种效应
磁场在金属-空气电池中的应用，通过磁流体效应、开尔文力效应、磁热效应和自旋选择性效应等从多个角度显著提升了电池的电化学性能。磁场的多重效应改变反应路径，降低反应活化能和过电位，使反应在较低的能耗下高效进行，最终突破传统热力学条件下催化剂的限制。通过调控反应物和产物的传质和电荷转移途径，磁场辅助策略为进一步提高金属空气电池性能提供了新的可能性。
图3 （A）图示描绘了锌 (Zn) 沉积过程，两种情况表示包含和不包含磁场的影响。（绿色箭头表示 Zn2+ 离子的运动方向，相反，虚线箭头表示磁场的方向，用 B 表示）。（B） 这张图展示了在无磁场和有磁场条件下电极附近的极化状态的对比。（C） 图表描绘了在交流磁场下水氧化的过程，并通过 a-NiFe@Ni-CW 的磁加热效应增强了这一过程。（D） 低自旋 (LS)、中自旋 (MS) 和高自旋 (HS) 铁硒化物 (Fe SA) 中的磁取向示意图。铁原子以洋红色表示，铜原子以青色表示，氮原子以蓝色表示，碳原子以灰色表示。
03
多场耦合的机制探索
复合场辅助金属空气电池是一种利用多种场（如光场、机械应力场、磁场、微波场等）来增强电池性能和效率的新兴技术。这些物理场协同优化电极材料结构和电化学反应，显著提高电池的整体性能。我们详细探索了多场耦合的作用机制，并通过两个光场磁场耦合和磁场应力场耦合的研究进展加以说明。
图4 （A）该图展示了光照时磁场和 NiO/FNi 系统之间的相互作用。（B）该图是基于磁致伸缩和压电性的Li-O2电池压电催化机理说明。
04
展望
尽管外场辅助金属空气电池在提升电池性能方面展现出巨大潜力，但其具体的作用机制尚不完全明了，仍需通过多学科联合研究和先进表征技术进行深入探索。此外，副反应对整体效率的影响、外场辅助电池的安全性与稳定性问题也亟待解决。未来的研究可以通过纳米结构设计、界面工程及多场耦合策略进一步提升电池性能。同时，结合机器学习等智能优化技术，将有助于加速外场参数的优化过程。为了实现大规模应用，材料成本和制造工艺的改进将成为关键。
05
作者简介
扫描二维码查看全文↓
往期推荐
1. 张立群院士&王朝教授等：生物基弹性体材料的发展现状
2. 中科院化学所李永舫院士&北化工张志国教授等：应用于高效有机太阳电池的苝酰亚胺类阴极界面层材料
3. 纽约州立大学武刚教授&大连理工大学任雪峰副教授等：电催化氧还原反应制备H2O2电催化剂的研究进展
4. 苏州大学张亮&李彦光教授等：实用化锂硫电池的先进硫正极设计准则
5. 山东大学熊胜林教授等：从结晶化学和界面化学角度剖析水系锌离子电池锌负极材料结构设计进展以及未来面临的挑战
6. 科技大学姚永刚教授等：新型异构高熵合金催化剂
7. 中南大学王海燕教授&孙旦副教授等：低温烧结实现高闭孔率生物质衍生硬碳储钠负极
8. 深圳大学梁广兴&国家纳米科学中心丁黎明等：高性能自驱动宽光谱铜锌锡硫硒薄膜光电探测器构建及其弱光应用研究
排版：牙牙乐
△ SusMat特色动态封面
SusMat---Call for papers :
关注但不仅限于清洁能源、绿色催化、环境友好材料和污染治理等多学科交叉领域
2024年11月入选中国科技期刊卓越行动计划-梯队期刊
2024年6月获出版许可证 51-1809/TB
2024年6月获第二个影响因子18.7
2023年12月被SCIE数据库收录
2023年12月入选中科院材料科学1区
2022年11月被ESCI数据库收录
2021年10月被DOAJ数据库收录
2021年9月入选中国科技期刊卓越行动计划-高起点新刊
特色动态封面提升文章显示度
SusMat
关/注/我/们
Materials Innovation for Sustainable Development
扫描二维码关注公众号
获取更多材料相关信息
