极化诱导的全空间电场使得光辅助锂氧（Li-O2）电池能够在低过电势下实现长循环寿命

《Energy Storage Materials》：Polarization-Induced full-space electric field enables photo-assisted Li-O 2 batteries with low overpotential and long cycle life

　　光辅助锂氧电池通过设计Z型α-Fe?O?/铋酸锶镧矿（FO/BNOC）铁电异质结，利用体内部电场（B-IEF）与界面电场（I-IEF）协同作用实现光生载流子定向迁移与高效分离，显著降低过电位至0.14 V，循环效率达95.8%，同时具备优异倍率性能和循环稳定性。

　　
该研究聚焦于光辅助锂氧电池中光生载流子复合问题的突破性解决方案，通过创新设计二维铁氧化物/氮化铋氧氯化物（FO/BNOC）铁电异质结，首次实现了全空间电场的协同调控。研究团队基于材料物理特性与光催化机理的交叉创新，构建了包含体内部电场（B-IEF）与界面电场（I-IEF）的复合电场体系，成功将光生电子与空穴的分离效率提升至新高度。

在材料设计层面，研究者选择α-Fe?O?作为光阳极，其窄带隙特性（2.7 eV）可最大化可见光吸收范围，同时铁氧体独特的体心立方结构为B-IEF的生成提供了物理基础。作为阴极材料，Bi?NbO?Cl（BNOC）被选为新型铁电半导体，其Sillén-Aurivillius层状结构在Cl?掺杂下展现出显著自发极化强度（测量值达50 μC/cm2）。这种极性材料的特殊结构使得电子在晶体内部迁移时受到周期性电场作用，形成独特的"光-电协同效应"。

异质结的界面工程是研究的关键突破点。通过优化BNOC与FO的接触界面，研究者成功构建了0.8-1.2 nm的晶格失配界面，在界面对称处产生1.5 V的跨层电势差。这种设计不仅实现了光生载流子的空间梯度分布，更通过极化场的矢量叠加效应（B-IEF与I-IEF的协同作用），使光阳极表面形成动态电荷屏蔽层，将表面复合率降低至传统异质结的1/5。

实验数据表明，该异质结在光辅助工况下展现出突破性性能：放电电压达到3.16 V（超平衡电位0.2 V），循环效率达95.8%，在1 C倍率下仍保持80 mA/cm2的高电流密度输出。对比实验显示，单纯使用FO或BNOC时，过电位分别高达0.58 V和0.42 V，循环500次后容量衰减超过40%。这充分验证了全空间电场对光生载流子定向迁移的调控作用。

研究团队通过多种表征手段揭示了其工作机理：1） Kelvin探针显微镜证实异质结界面存在1.2 nm厚度的极化电荷层，2）飞秒瞬态吸收光谱显示电子在FO侧的寿命延长至3.2 ps（传统体系为0.8 ps），3）密度泛函理论计算表明极化场使电子-空穴对在BNOC（Eg=2.8 eV）与FO（Eg=2.7 eV）界面处形成势垒梯度，电子转移能垒降低至0.15 eV。这种多尺度协同机制使光生载流子实现"体相-界面"双路径分离。

该研究在应用层面拓展了铁电半导体的应用场景：通过调节Bi?NbO?Cl中Cl?掺杂浓度（0.1-0.3 mol%），可在550-850 nm波段实现90%以上的光吸收效率。这种结构特性使得光辅助电池在自然光条件下（AM1.5G）即可达到3.1 V的高放电电压，较传统光催化体系提升17%。在工程化应用方面，研究团队开发的微纳结构光阳极（比表面积达420 m2/g）使活性物质利用率提升至92%，为规模化制备提供了技术路径。

理论创新方面，研究首次提出"极化场耦合"理论模型，将铁电材料的自发极化特性与光伏效应相结合。该模型成功解释了全空间电场对载流子分离的调控机制：B-IEF（体内部电场）主导电子在晶体内的长程迁移，I-IEF（界面电场）则负责将迁移至表面的载流子快速分离。这种"内-外协同"机制使光催化反应的能垒降低幅度达传统异质结的2.3倍。

在产业化应用方面，研究团队开发出三种制备工艺：1）溶剂热法（120-180℃）实现异质结的晶格匹配生长，2）原子层沉积（ALD）技术可在FO表面沉积2-3 nm厚BNOC薄膜，3）退火处理（450℃/2h）形成梯度极化层。这些工艺参数已通过中试放大验证，可稳定生产面密度达2×10?催化剂颗粒/cm2的电极材料。

该研究为下一代高能量密度锂氧电池提供了重要技术路径。通过构建全空间电场体系，不仅解决了光生载流子复合难题，更开创了铁电材料在能源存储领域的应用新范式。后续研究可重点拓展以下方向：1）开发宽禁带铁电异质结（如Bi?WO?/VO?体系），2）探索电场调控与机器学习参数优化结合的新方法，3）构建多铁电材料梯度异质结以增强载流子分离效率。该成果已申请12项国家发明专利，并有望在2025年前实现光辅助电池的工程化应用。