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A high-energy long-cycling solid-state lithium–oxygen battery enabled by plasmon-enhanced solar induced reversible oxygen conversion to Li2O

阴极 材料科学 氧化物 锂(药物) 氧化还原 氧气 电极 锂电池 化学 电池(电) 功率密度 析氧 无机化学 太阳能 分解 能量转换效率 化学工程 电流密度 催化作用 储能 金属 化学计量学 工作温度 能量转换
作者
Min Wang,Hucheng Song,Yipeng Ye,Yijie Liu,Linwei Yu,Jun Xu,Kunji Chen
出处
期刊:eScience [Elsevier BV]
卷期号:6 (3): 100516-100516
标识
DOI:10.1016/j.esci.2025.100516
摘要

Lithium–oxygen (Li–O 2 ) battery with a reversible conversion between oxygen and lithium oxide (Li 2 O) offers the highest theoretical specific energy among all lithium-battery systems. However, enabling the O 2 /Li 2 O redox reaction to be fully reversible requires high operating temperatures (> 150 °C) due to thermodynamic constraints. Here, we report a room temperature (RT) solid-state Li–O 2 battery by solar induced reversible O 2 /Li 2 O conversion reaction. The oxygen reaction and oxygen evolution at the air cathode is driven by energetic hot carriers generated from plasmonic ruthenium nanostructures. These carriers activate O 2 molecules, cleave O–O bonds, and facilitate the formation and decomposition of the Li 2 O products via plasmon-induced four-electron (O 2 /Li 2 O) conversion process on discharge and charge, thus enabling a capacity more than twice that of the batteries operating without solar irradiation. Meanwhile, the Li/solid-state interface is stabilized by a molten-salt-interlayer (MSI), which promotes an ultra-flat and electrochemically stable interface throughout cycling under solar irradiation. By combining the plasmon-enhanced cathode and MSI-stabilized Li-anode, the solid-state Li–O 2 battery exhibits exceptional cycling performance over 350 cycles with a capacity limitation of 1000 mAh g −1 at a high current density of at 10.0 A g −1 . This dual-functional battery design enables room-temperature solid-state Li–O 2 batteries, advancing the development of next-generation high-energy density lithium metal battery. • A high-energy long-cycling solid-sate Li–O 2 battery based on a reversible 4/e − conversion reaction between O 2 and Li 2 O has been obtained at RT. • Energetic hot carries generated from plasmonic hybrid Ru nanostructures catalyst on the cathode enables reversible O 2 /Li 2 O conversion under solar irradiation. • Solar-induced heat transferred to the LAGP/Li interface, stabilized by a MSI, can effectively heal Li-dendrites, thereby significantly improving the cycling stability of the battery.
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