英文原题：ElectrodeProtectioninHigh-EfficiencyLi–O2Batteries
通讯作者：张新波，中国科学院长春应用化学研究所
作者：GangHuang(黄岗),JinWang(王金),XinboZhang(张新波)
锂-空气电池是一种以金属锂为负极，空气中的氧气为正极的新型二次电池体系(图1)，在放电-充电过程中伴随着过氧化锂的生成和分解，其理论能量密度高达Wh/kg，和现有锂离子电池体系相比高出一个数量级，被认为是极具前景的下一代高比能储能体系。然而，在锂-空气电池实用化之前，还需要克服一系列的关键问题，如能量转换效率低和循环寿命短等，这与电池循环过程中正极和负极上持续发生的副反应密切相关。为了促进锂-空气电池的实际应用，研究人员在过去的十年中初步确定了空气正极和锂负极的退化原因，并提出了一些改善其性能的策略。因此，正极和负极的稳定性得到了很大的提高，进而极大地提升了锂-氧气电池的电化学性能。为此，我们在本文中总结了现有锂-氧气电池的电极保护策略，并指出了其中的不足，以期进一步推动锂-氧气电池的发展。此外，我们还归纳了一些新型的空气电池系统和提出了如何从电池角度集成和匹配电极的可行策略。本文可加深我们对锂-氧气电池的理解，并为实现高性能和长循环的锂-氧气电池提供了可能性。
图1.锂-空气电池的示意图及其存在的主要挑战。
碳材料由于具有高电导率、低密度、易加工性、可调节的电子结构、丰富的同素异形体以及较低的成本等特性(图2a-d)，成为锂-氧气电池空气正极的主要选择。尽管其潜力巨大，但碳基材料对强氧化性物质的化学稳定性差，尤其是当电池在3.5V以上充电时，会发生严重地分解，产生不良副产物，如碳酸锂等，这会进一步增加充电过电位，进而缩短锂-氧气电池的循环寿命。因此，除了提高碳基正极的功能性外，还应改善其自身的稳定性。目前，碳基正极的保护策略可以分为以下几种：1)避免粘结剂的使用;2)表面保护；3)引入催化剂；4)引入氧化还原介体；5)其它功能添加剂的使用；6)设计不含碳材料的正极(图2e-j)。
图2.碳基正极的优势、挑战和潜在的解决方法。
金属锂负极是唯一能使锂-空气电池充分发挥其能量密度优势的负极材料。由于锂-空气电池是一个开放的体系，金属锂负极除了面临其固有的枝晶生长和体积膨胀问题外，还会与溶解在电解液中的氧气发生反应；此外，空气中水分、二氧化碳等的渗入也会腐蚀锂负极，加速活性锂的消耗，并在锂负极表面形成粉化层，阻碍锂离子的传导，进而影响电池的库伦效率、倍率性能和循环寿命等。即使在纯氧环境下运行，锂-空气电池特有的充放电中间产物，如单线态氧、超氧根、过氧根等，也会导致电解液发生分解反应。其生成的水会腐蚀锂负极直至活性锂被完全消耗，从而导致电池失效。另外，由于可溶性氧化还原介体的引入可明显提升锂-空气电池的电化学性能，其在锂-空气电池中的应用得到了广泛的研究。然而，氧化还原介体在电解液中可以自由扩散，会穿梭到负极表面与金属锂发生反应，腐蚀锂负极并造成氧化还原介体的损失，降低了锂负极和氧化还原介体的利用率，导致电池的循环寿命变差。基于上述考虑，保护锂负极以抑制枝晶生长和副反应发生，对提升锂-空气电池的电化学性能至关重要。
在此，我们从电极设计，界面改性和电解质工程等方面总结了锂负极的保护策略(图3)，以为高性能锂-氧气电池用稳定的锂负极的设计提供灵感。
图3.金属锂负极的保护策略。
尽管研究人员为保护碳基正极和锂负极付出了巨大的努力，但锂-氧气电池的性能仍远未达到实际应用的要求。为此，有些课题组开发了一些新的空气电池系统来减轻锂-氧气电池所面临的挑战。例如，将锂-氧气电池与太阳能电池集成到一起，利用光辅助充电减少锂-氧气电池的充电过电位；构建基于氧化锂-过氧化锂转换的密封电池，简化电池环境，避免超氧根和单线态氧引起的副反应发生；基于Ni基正极和熔融硝酸盐电解质实现氧化锂四电子的可逆分解与形成，从而避免碳基正极腐蚀和有机电解液的分解；通过使用联苯复合液体代替锂负极构筑有机-氧气电池，避免了锂负极所面临的问题，实现了电池长期高效的稳定循环。这些新颖的电池系统为解决锂-氧气电池的高过电位，正极、电解液和负极退化等挑战提供了新的方向。
图4.新型空气电池系统的示意图。
本文已发表于ACSCentralScience。中国科学院长春应用化学研究所黄岗博士为文章的第一作者，中国科学院长春应用化学研究所张新波研究员为文章的通讯作者。
本项目得到了NationalKeyRDProgramofChina(中国国家重点研发计划)，NationalNaturalScienceFoundationofChina(中国国家自然科学基金)，StrategicPriorityResearchProgramoftheChineseAcademyofSciences(中国科学院战略性先导科技专项)，JilinProvinceScienceandTechnologyDevelopmentPlanFundingProject(吉林省科技发展计划资助项目)，ChangchunScienceandTechnologyDevelopmentPlanFundingProject(长春市科技发展计划资助项目)和K.C.WongEducationFoundation(王宽诚教育基金)的支持。
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