由于存在著氧氣的二電子還原產(chǎn)生過(guò)氧化鋰的反應(yīng)，鋰-氧電池(也稱(chēng)鋰-空氣電池)的理論能量密度至少比傳統(tǒng)鋰離子電池高一倍，使得這類(lèi)電池成為新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。多孔碳正極的腐蝕以及有機(jī)電解質(zhì)的分解等現(xiàn)象的存在一直阻礙著鋰-氧電池的商業(yè)化應(yīng)用。本周《科學(xué)》雜志發(fā)表了加拿大研究人員的最新研究成果，報(bào)告了一種可通過(guò)高度可逆的四電子氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生氧化鋰的新型鋰-氧電池，可成功地解決鋰-氧電池面臨的這兩個(gè)最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

本周發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的這項(xiàng)新研究表明，新型鋰-氧電池通過(guò)四電子氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生氧化鋰的過(guò)程是高度可逆的，電池的庫(kù)倫效率(也叫放電效率，是指電池放電容量與同循環(huán)過(guò)程中充電容量之比)接近100%。

論文作者、加拿大固態(tài)能源材料研究所所長(zhǎng)、滑鐵盧大學(xué)化學(xué)系研究教授她琳達(dá)·納扎爾說(shuō):"基于熱力學(xué)的研究存在局限性。盡管如此，我們的工作解決了人們長(zhǎng)期以來(lái)一直在努力解決的根本性問(wèn)題。"

鋰-氧電池理論能量密度高、重量輕，是二次電池系統(tǒng)的"圣杯"。但由于二次電池的化學(xué)反應(yīng)和穩(wěn)定性問(wèn)題長(zhǎng)期未解決，使得鋰-氧電池的研究局限在學(xué)術(shù)研究方面，未能走向商用。

其中兩個(gè)最嚴(yán)重的問(wèn)題涉及電池化學(xué)的中間體超氧化鋰(LiO2)和過(guò)氧化鋰(Li2O2)，這些中間產(chǎn)物與多孔碳陰極反應(yīng)，導(dǎo)致多孔碳陰極的腐蝕和分解。另外，超氧化鋰在生成過(guò)程中消耗有機(jī)電解質(zhì)，大大限制了電池的循環(huán)壽命。

納扎爾和她的同事們將有機(jī)電解質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N更加穩(wěn)定的無(wú)機(jī)熔鹽，將多孔碳陰極轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N雙功能金屬氧化物催化劑。然后通過(guò)在150℃操作二次電池，在這一溫度上熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力更傾向于形成氧化鋰而非過(guò)氧化鋰。而由鎳納米顆粒組成的非碳復(fù)合正極則能夠原位形成鋰鎳氧化物(LixNiO2)，可以作為促使氧氧鍵可逆斷裂-形成的高效電催化劑。這促成了一個(gè)高度可逆的鋰氧蓄電池的誕生，其庫(kù)侖效率接近100%。

通過(guò)以氧化鋰(Li2O)代替過(guò)氧化鋰儲(chǔ)存氧氣，二次電池不僅保持了優(yōu)異的充電特性，而且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中最大的四電子(Electron)轉(zhuǎn)移，從而使理論儲(chǔ)能密度提高了一倍。

納扎爾教授評(píng)價(jià)稱(chēng):"通過(guò)改變電解質(zhì)和電極，并提高溫度，我們可以看出該系統(tǒng)的性能非常好。"相比于過(guò)氧化物和超氧化物，氧化鋰是一種良性氧化劑，其與有機(jī)試劑和碳的反應(yīng)活性較低。因此，尋求在電池中實(shí)現(xiàn)氧氣可逆還原成氧化物的反應(yīng)是目前改善鋰-氧電池性能的重要途徑。