当今社会对高比能锂电池需求的日益增长，锂-氧气（Li-O
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）电池因其极高的理论能量密度（3500 Wh kg
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），是锂电池发展的重要方向。然而，传统有机电解质体系下的锂-氧电池在充放电过程中对反应物氧气的利用率不足，限制了其能量密度的提升。相比之下，基于无机硝酸盐熔盐电解质（NMSE）的锂-氧气电池能够实现对氧气的完全利用，完成“四电子转移”反应，展现出更高的能量效率和更长的循环寿命。但目前该类电池的发展受限于熔融盐的高熔点和阴极催化能力的不足，实际应用较为困难。
面向上述问题，近日南京大学/南通大学徐骏教授团队联合南京航空航天大学宋虎成研究员提出了一款直接利用太阳能驱动的无机熔融盐锂-氧电池。团队成功设计了一种双功能阴极，其上方的金属-氧化钛微纳结构不仅能够调控太阳能光热效应以维持电池的运行温度，还能有效增强阴极的催化活性，促进电解质中的反应进行并显著降低过电位。最终电池在容量（>10 mAh）、稳定性（>500次循环）、能量效率（>90%）等多方面表现出色。该工作为提升硝酸熔融盐Li-O
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电池的反应动力学提供了有效策略，并朝向其实际应用迈出了重要一步。研究以 “A solar-driven nitrate molten salt lithium-oxygen battery based on built-in bifunctional cathode”为题发表在《Nano Energy》期刊上，南京大学博士研究生李志奂为论文第一作者。
图1 太阳能驱动硝酸熔融盐Li-O
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电池的运行机制。
通过水热合成与物理气象沉积的方法，团队成功实现了Ru金属纳米颗粒-TiO
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纳米柱-碳衬底阴极结构的可控制备。
通过一系列电化学测试和产物表征，证实Ru颗粒在硝酸熔融盐中起到了有效的催化作用。图2a展示了Ru催化电池在单一循环，不同电流密度下的充放电电压，结果显示出较低的过电位。图2b中Ru/CF阴极上放电产物Li
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O的SEM图像与图c中电池充电过程中产气的质谱测试验证了Ru催化熔融盐电池的反应机制。通过对比放电前后的阴极的XRD图谱（图2d）和拉曼光谱（图2e）确认了上述结论。电极的XPS表征（图2f）说明了上方的Ru催化剂发生了一定程度的氧化，与之前的相关研究相符。
图2 Ru催化NMSE Li-O
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电池中的电化学过程。
引入TiO
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纳米柱阵列后，电极对熔融盐产生了良好浸润性（图3a），进而降低了电池阻抗（图3b），氧化钛的立体柱状结构使得电极的催化作用得到进一步提升。通过测试Ti或TiO
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颗粒催化剂在NMSE电池中的放电电压（图3c）。并与其他高效金属氧化物催化剂进行比较(图3d)。确认了TiO
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对NMSE的催化活性。图4e进一步证实，阴极上生长的TiO
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纳米棒质量密度越大，放电电压越高。配备Ru-TiO
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/CF阴极的NMSE电池在150°C的高温测试环境中循环效果良好（图3f），为后续应用提供了依据。图3g和3h表明不论气体环境是有氧还是无氧，引入TiO
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阵列都会使电池电压显著提升，进一步证实了TiO
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纳米结构的对电池电化学性能的增益作用。在电化学性能增强的同时，Ru-TiO
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结构极大改善了电极的光吸收性能。使电极具备了更好的光热效应，这有利于电池达到工作温度。最终，以Ru-TiO
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/CF为阴极的NMSE电池收获了良好的测试效果，在电流密度适中（0.1mA/cm
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）的条件下，电池具有14mAh/cm
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的容量、超过500个循环的寿命和90%的电池能效。并展示出了在不同光强下和其他气体环境中的应用兼容性。
图3 阴极上的TiO
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纳米棒阵列增进电化学性能。
通过合理设计阴极上的微纳结构，研究人员成功将光热转换能力和催化能力相结合。一系列实验表明，新应用的Ru-TiO
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/CF阴极能够有效催化电化学过程，增强NMSE Li-O
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电池的反应动力学。不仅证实了使用柱状TiO
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结构作为催化剂基底的有效性，还展示了Ru及其他贵金属作为NMSE催化剂的巨大潜力。更重要的是，研究人员成功实现了电池在室温全光照，无热源条件下的运行，且性能与那些带有外部热源的NMSE电池在过电位、稳定性等方面相当。这一工作为高熔点无机电解质电池系统的应用提供了思路。
相关工作得到了南京大学余林蔚教授，陈坤基教授的悉心指导与支持。并获得国家自然科学基金，南通市重点研发项目的资助。南京大学固体微结构国家重点实验室，人工微结构科学与技术协同创新中心为工作的开展提供了重要支持。
A solar-driven nitrate molten salt lithium-oxygen battery based on built-in bifunctional cathode
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110851
