设计稳定和可逆的锂-空气电池阴极催化剂的研究进展

胡安俊，龙剑平，舒朝著

(成都理工大学 材料与化学化工学院，成都 610059)

由于不可再生的化石燃料的过度消耗和日益严重的全球变暖，大力发展绿色和可持续能源(如风能、太阳能、潮汐能等)具有重要意义[1-5]。二次电池是一种有希望的电化学储存系统，其可通过可逆的电化学氧化还原反应直接将化学能转化为电能[6-8]。其中，锂离子电池(lithium-ion batteries, LIBs)是目前最受欢迎和最高效的储能系统，几乎实现了其潜在的最大性能(即能量密度250Wh·kg-1)[9-11]，然而低的能量密度限制了其在需要高能量电池系统的广泛使用，如电池供电的电动汽车(electric vehicles, EVs)。在正在开发的各种电池系统中，锂-空气电池(lithium-air battery, LABs)的最高理论能量密度约为3608Wh·kg-1(基于可逆反应2Li+O2↔Li2O2,E°=2.96V)[12]，被认为是最有希望的下一代电池技术之一。

尽管LABs具有广阔的发展前景，但许多科学技术限制阻碍了其进一步的发展，包括低的能量效率、差的倍率性能以及差的循环稳定性等技术挑战[13-14]。通常这些挑战与LABs的基本化学反应机理相关，包括氧化还原反应动力学、化学稳定性等[15-16]。研究表明，电化学过程中的能量转换通常受到高的活化势垒的限制，而电催化剂通常用来修饰电极以降低活化能并提高转化率，进而改善电池的电化学性能[17]。因此，开发对氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)和氧析出反应(oxygen evolution reaction, OER)具有高催化活性的阴极催化剂是LABs的关键所在。目前在LABs中应用最为广泛的催化剂是碳基材料[17-22]，但其不稳定性、对Li2O2差的催化活性和促进电解质分解等问题导致LABs的循环性能显著降低[17,23]，这使得碳基材料不是LABs的理想阴极的选择。……