Adv. Sci. ：丙二胺双功能添加剂：同步构筑锂空气电池的稳定锂负极与高效氧正极

随着传统锂离子电池接近其理论容量极限，迫切需要开发具有更高能量密度的新型二次电池来满足这些苛刻的要求。锂空气电池因其超高的理论能量密度（3500 Wh kg⁻¹）而成为最有前景的候选者之一，这是通过利用周围环境中的氧气作为阴极的活性成分来实现的。然而，在实际应用中，有两个主要挑战：第一，锂阳极在环境空气中的腐蚀会显著降低循环性能；其次，阴极处缓慢的电极反应动力学导致大量极化和低循环效率。缓解开放式电池系统中金属锂阳极因暴露在水分和二氧化碳而腐蚀的可行策略主要集中在电解质结构优化上。固态电解质可以有效防止水分和二氧化碳渗透到锂阳极，从而抑制腐蚀并提高稳定性。然而，它们的实际应用受到低离子电导率的限制。凝胶聚合物电解质将聚合物基质的优异机械性能与液体电解质的高离子电导率相结合，为这些局限性提供了一种可行的解决方案。尽管有这些优点，但挑战依然存在，包括电极-电解质界面接触不足和显著的离子扩散阻力。

有机胺可以与金属锂反应形成氨基锂，氨基锂分子与醚分子交联形成凝胶层。这种凝胶层可以保护锂阳极免受环境空气中水分和二氧化碳的腐蚀，这一优势显著延长了锂空气电池的循环耐久性，并使其能够在大气环境中运行。然而，完全的电解质凝胶化带来了新的挑战，特别是阴极气体扩散通道的堵塞，可能会损害阴极反应动力学。此外，放电产物的低导电性在凝胶电解质阴极界面处产生了相当大的电荷转移电阻，动态地限制了Li+在三相界面上的传输。这些新出现的问题导致过电位增加、循环稳定性和能源效率降低。因此，开发高效电解质和优化阴极/凝胶电解质界面对于实现锂空气电池的实际应用至关重要。

四硫富瓦烯（TTF）和2,5-二叔丁基-1,4-苯醌（DBBQ）等液相氧化还原介质可以有效抑制单线态氧的产生，有助于降低充电过电位，但它们倾向于迁移到阳极，导致金属锂腐蚀，这阻碍了它们在液体电解质基锂空气电池中的实际应用。因此，主要的研究重点已转向如何防止RM迁移到阳极，同时在阴极保持液态，这是锂空气电池优化中的一个关键挑战。丙二胺（DAP）作为一种新型的电解质添加剂，其同时具备有机胺的特性，在Li阳极表面自发形成的Li-DAP随后与醚基溶剂交联，形成凝胶保护层，减缓环境空气中水分以及二氧化碳带来的锂腐蚀；其次，其较低的反应活性使得电解质在阴极处保持液态充当氧化还原介质，在充电过程中促进放电产物的分解。

不同比例乙二胺（EDA）、丙二胺（DAP）、二乙烯三胺（DETA）与锂反应后形成的三种氨基锂与醚基溶剂进行交联反应，有趣的是，当DAP含量较低时，即使静置很长时间也难凝胶化，表明DAP与锂的反应活性适中，这与理论计算中吉布斯自由能变化（ΔG）一致。本文对不同凝胶组分进行了电化学稳定性及循环稳定性测试，并与液态电解质比较，G3-DAP凝胶组分表现出更加优异的性能。

理论计算显示，DAP的氧化还原电位与O2还原/释放电位表现出极好的相容性，印证了其作为阴极氧化还原介质的功效。全面的气体扩散实验（日历寿命评估和气相色谱分析）表明，凝胶电解质有效抑制水分和二氧化碳扩散到锂阳极的能力，大幅延缓了阳极腐蚀。同时，单线态氧（1O2）的淬灭和放电过程中O2还原途径的转变也得到验证。含有DAP添加剂的电池展现出卓越性能，在真实环境空气中实现超过1000小时的循环寿命，充电过电压从4.2V降低到3.4V，能源效率达70%。本研究深入剖析了有机胺作电解质添加剂的多重作用，为打造可在真实空气环境中长循环、高效率运行的锂空气电池开辟了新路径，树立了新标杆。

刘喜正，现为江汉大学教授，先后入选湖北省楚天学者、天津市青年特聘教授等。主要从事微小型高比能电源关键材料、器件设计及其在植入式医疗器件等领域应用相关研究。重点围绕电极内离子与电子协同快速传输、电极/电解质界面稳定接等目标，提出了多孔电极设计与原位固态化凝胶电解质相关策略，取得了一系列创新性研究成果。主持国家自然科学基金、省级自然科学基金等多项项目。以第一/通讯作者在Chem.,  Angew.  Chem., Adv.  Mater., Adv. Energy Mater.,  Adv.  Funct.  Mater., ACS  Cent.  Sci.,  Adv.  Sci.等杂志发表论文90余篇，他引6100余次。