可充电锂-氧电池技术取得突破性进展

【据科学日报网站 2018 年 8 月 23 日报道】由于存在着氧气的二电子还原产生过氧化锂的反应，锂 - 氧电池（也称锂 - 空气电池）的理论能量密度至少比传统锂离子电池高一倍，使得这类电池成为新能源领域的研究热点。多孔碳正极的腐蚀以及有机电解质的分解等现象的存在一直阻碍着锂 - 氧电池的商业化应用。本周《科学》杂志发表了加拿大研究人员的最新研究成果，报告了一种可通过高度可逆的四电子氧化还原反应产生氧化锂的新型锂 - 氧电池，可成功地解决锂 - 氧电池面临的这两个最具挑战性的问题。

本周发表在《科学》杂志上的这项新研究表明，新型锂 - 氧电池通过四电子氧化还原反应产生氧化锂的过程是高度可逆的，电池的库伦效率（也叫放电效率，是指电池放电容量与同循环过程中充电容量之比）接近 100% 。

论文作者、加拿大固态能源材料研究所所长、滑铁卢大学化学系研究教授她琳达・纳扎尔说 : “基于热力学的研究存在局限性。尽管如此，我们的工作解决了人们长期以来一直在努力解决的根本性问题。”

锂 - 氧电池理论能量密度高、重量轻，是二次电池系统的“圣杯”。但由于二次电池的化学反应和稳定性问题长期未解决，使得锂 - 氧电池的研究局限在学术研究方面，未能走向商用。

其中两个最严重的问题涉及电池化学的中间体超氧化锂（ LiO 2 ) 和过氧化锂 (Li 2 O 2 ) ，这些中间产物与多孔碳阴极反应，导致多孔碳阴极的腐蚀和分解。 另外，超氧化锂在生成过程中消耗有机电解质，大大限制了电池的循环寿命。

纳扎尔和她的同事们将有机电解质转变为一种更加稳定的无机熔盐，将多孔碳阴极转变为一种双功能金属氧化物催化剂。然后通过在 150 ℃操作二次电池，在这一温度上热力学驱动力更倾向于形成氧化锂而非过氧化锂。而由镍纳米颗粒组成的非碳复合正极则能够原位形成锂镍氧化物（ Li x NiO 2 ），可以作为促使氧氧键可逆断裂 - 形成的高效电催化剂。这促成了一个高度可逆的锂氧蓄电池的诞生，其库仑效率接近 100% 。

通过以氧化锂 (Li 2 O) 代替过氧化锂储存氧气，二次电池不仅保持了优异的充电特性，而且实现了系统中最大的四电子 (Electron) 转移，从而使理论储能密度提高了一倍。

纳扎尔教授评价称 : “通过改变电解质和电极，并提高温度，我们可以看出该系统的性能非常好。” 相比于过氧化物和超氧化物，氧化锂是一种良性氧化剂，其与有机试剂和碳的反应活性较低。因此，寻求在电池中实现氧气可逆还原成氧化物的反应是目前改善锂 - 氧电池性能的重要途径。（中国船舶工业综合技术经济研究院 丁宏）

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