香港理工大学倪萌教授、长春应化所张新波研究员, AM综述：锂空气电池中的可逆放电产物

第一作者：刘通

通讯作者：倪萌*，张新波*

单位：香港理工大学、长春应化所

锂空气电池以其高能量密度在后锂离子电池中脱颖而出，近年来发展迅速。基于其在充电和充电过程中会产生和分解产物放电的基本机理，放电产物的可逆性与电池性能密切相关。过氧化锂一直以来都是非水系锂空气电池中的主要放电产物，通过对电解液、高效正极和负极材料等方面的研究，在过氧化锂的生长分解机理和性能等取得了很多进展。

为了进一步提高锂空气电池体系的性能、加深对电池基本反应机理的认识，对氢氧化锂、超氧化锂、氧化锂和碳酸锂等其他放电产物的研究应运而生，为锂空气电池技术带来了诸多关键性的突破。基于此，本文系统地回顾了各种放电产物的最新进展，主要关注生长和分解机制及其决定因素，并对基于可逆放电产物的锂空气电池基础研究和未来应用进行了展望。

基于此，来自香港理工大学的倪萌教授和长春应化所的张新波研究员合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Reversible Discharge Products in Li−Air Batteries”的综述文章。该文详细地总结了锂空气电池中多种可逆放电产物的最新进展，包括过氧化锂、氢氧化锂、超氧化锂、氧化锂和碳酸锂，主要关注产物的生长和分解机制及其决定因素，并对锂空气电池的基础研究和未来发展进行了展望。

经过几十年的发展，对锂空气电池放电产物的研究取得了很多进展。氧还原和氧析出过程中放电产物的形成和分解直接决定了电池的性能。放电产物在很大程度上会受多种因素的综合影响，例如测试气氛、环境温度/湿度、电解质的种类和阴极催化剂，这些都会影响放电产物的组成及其生长途径、形态和结晶度。因为过氧化锂在纯氧气氛中具有良好的稳定性，它是非水系锂空气电池中最常见的放电产物。

过氧化锂的生长主要有两种路线，表面生长路径和溶液生长路径，主要是受放电中间产物超氧化物的影响。其中，正极存储空间、对氧气的吸附、电解液溶剂、反应温度、工作电流大小等参数都会对超氧化物的生成和随后的反应有影响，进而影响放电产物的生长方式。然而，由于过氧化锂较差的导电性，也使得基于过氧化锂循环的电池性能与与理论值相去甚远。

要点二：其他放电产物

当锂空气电池在空气环境中长期运行时，过氧化锂容易与水和二氧化碳反应进一步生成氢氧化锂和碳酸锂。氢氧化锂和碳酸锂逐渐积聚在正极一侧，会降低锂空气电池的电化学性能和寿命。虽然以氢氧化锂作为可逆放电产物的锂空气电池性能非常好，但控制氢氧化锂作为单一放电产物具有挑战性，其生长/分解机制仍需要更多探索。

碳酸锂稳定性高，相对难分解，尤其是在纯二氧化碳气氛中循环时，因此更加需要具有高催化活性的正极材料来促进碳酸锂的分解以提高电池循环寿命。超氧化锂和氧化锂已被证明是可逆的，但只能在某些特定情况下稳定；目前基于这些放电产物的电池研究还比较少，不过它们能够满足特殊场合的应用，在实际应用中也具有一定的潜力。

锂空气电池的可逆放电产物的发展简要时间表。

要点三：前瞻

令人鼓舞的是，当前对锂空气电池的研究中，通过对放电产物的调控致力于促进放电产物的可逆性，已经取得了许多关键进展，并且对这一电池体系的反应机理逐渐明晰。

当前未来仍需要更加细致严谨的基础研究，继续探索内部反应机理；结合多种先进的表征技术手段，实时监测定性乃至定量的对放电产物进行分析探究；通过第一性原理计算等方法，从分子层面上验证推论放电产物的生长分解过程，研究催化活性中心的根源，提供更多理论支撑；进一步采用电极材料设计、电解液调控等手段协同提高产物的可逆性；

积极探索更多新型的锂空气电池体系，包括混合电池、固态电池等，研究不同体系对放电产物的影响，寻求新的突破以获得对放电产物新的认识；开发小型锂空气电池原型，调控放电产物的生长以定向满足不同特殊场景下的使用，研究实际状况下的放电产物的可逆情况并提升器件性能，以加速推进锂空气电池的实际应用。

基于可逆放电产物的二次锂空气电池，其基础研究和产业化发展，路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。

Reversible Discharge Products in Li−Air Batteries

倪萌教授简介：香港理工大学建设及环境学院副院长。倪萌教授2007年获得香港大学（HKU）机械工程博士学位。随后，倪教授在香港大学担任博士后研究员2年。之后于2009年7月加入香港理工大学担任助理教授，2016年7月晋升为教授、副主任（研究），2021年7月被任命为建设与环境学院副院长。倪教授于2017年作为洪堡学者在德国于利希研究中心进行合作研究。

倪萌教授的研究兴趣包括燃料电池、可充电金属空气电池、电化学水分解和低品位余热利用的电化学系统。倪教授在Science、 Nature、 Nat. Energy、 Adv. Mater.、 Adv. Energy Mater.、 ACS Energy Lett. 等期刊发表论文300余篇。担任Science、Nature Communications、Joule、Advanced Materials等80余种学术期刊的审稿人。

2015-2017年担任Science Bulletin副主编。目前，他是Energy Reviews (Elsevier)联合主编，Sustainable Energy Technologies and Assessments (Elsevier) 和 e-Prime (Elsevier) 的高级编辑，以及 International Journal of Green Energy (Taylor & Francis)副主编。

张新波研究员简介：博士生导师，稀土资源利用国家重点实验室主任，兼任中国稀土学会副理事长、吉林省化学会副理事长和吉林省分析测试技术学会副理事长等。2005年获得中科院长春应化所无机化学博士学位及中科院院长奖。2005至2010 年，在日本产业技术综合研究所（关西中心）担任JSPS 和 NEDO 研究员。

张新波研究员主要从事电池与电催化研究，已在Nat. Chem.、Nat. Energy、Chem、Joule、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊上以第一作者或通讯作者发表SCI论文200余篇，他引近3万次，论文引用H因子为95，2020-2022连续入选科睿唯安“高被引科学家”。

多篇论文被Nature和Science等期刊亮点报道；申请国家发明专利26项（18项已授权）,日本专利2项。先后承担国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等科研项目。入选中科院高层次人才项目，获国家优秀青年科学基金、科技部创新人才推进计划“中青年科技创新领军人才”、国家杰出青年基金、吉林省自然科学奖一等奖（第1完成人）、中国科学院优秀导师奖等人才称号和奖项。

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