手性诱导自旋选择性效应抑制锂氧电池中单线态氧生成并延长循环寿命

为解决锂氧电池(Li-O2)因单线态氧(1O2)引发的副反应导致循环寿命短的问题，研究人员通过手性钴氧化物纳米片(Co3O4 NSs)的CISS效应（手性诱导自旋选择性）调控氧电化学反应路径。实验结合原位光谱和理论计算证实，该策略将充放电过程中的1O2生成分别降低3.23倍和3.7倍，电荷-O2比接近理论值(2.04 e-/O2)，显著提升电池能量效率和稳定性，为下一代高能量密度储能技术提供新思路。

　　

锂氧电池(Li-O₂)因其理论能量密度高达3,457 Wh kg^-1被视为下一代储能技术的候选者，但其实际应用长期受困于单线态氧(¹O_{2)引发的电极/电解质降解。传统策略如猝灭剂和氧化还原介质存在电压窗口窄、易分解等局限。最新研究发现，手性分子可通过CISS效应（手性诱导自旋选择性）调控电子自旋状态，但该效应在Li-O2电池中的应用尚未探索。}

为解决这一挑战，Kyunghee Chae等团队在《Nano-Micro Letters》发表研究，首次将手性Co₃O₄纳米片作为正极催化剂，通过CISS效应抑制¹O₂生成。研究采用电沉积法制备低载量手性电极，结合原位荧光光谱(PL)和差分电化学质谱(DEMS)实时监测活性氧物种，辅以密度泛函理论(DFT)计算揭示反应机制。

3.1 电极制备与表征

通过R-BINOL诱导合成的手性Co₃O₄纳米片呈现均匀的140-160 nm厚度，XRD确认其尖晶石结构。磁性导电原子力显微镜(mc-AFM)测得R-Co₃O₄/CP电极自旋极化率达64.4%，证实CISS效应存在。

3.2 电池性能提升

含R-Co₃O₄/CP的电池在0.08 mA cm^-2下循环300小时（33次），远超非手性电极（20次）。¹H NMR显示手性电极将甲酸盐副产物降低3倍，酸滴定证实Li₂O₂产率达87%。

3.3 单线态氧原位监测

原位PL显示R-Co₃O₄/CP在放电/充电时¹O₂生成量分别减少3.7倍和3.23倍。DEMS测得电荷-O₂比为2.04 e^-/O₂，接近理论值，表明氧反应接近完全可逆。

3.4 反应机制解析

DFT计算发现手性结构引起费米能级附近电子态偏移，增强Co 3d-O 2p轨道杂化，使ORR/OER过电位降低至0.29 V/0.24 V。吸附能计算表明手性表面更稳定Li₂O₂而弱化LiO₂*吸附，抑制¹O₂生成路径。

该研究开创性地将CISS效应引入锂氧电池，通过自旋极化电流调控氧反应路径，为解决¹O₂诱导的降解难题提供新范式。手性电极设计使电池循环寿命提升65%，能量效率提高15%，为发展高稳定性金属-空气电池奠定理论基础。