鋰空氣二次電池(NonaqueousRechargeableLi-airBatteries)理論上具有3505Wh/kg或3436Wh/l的能量密度。如果能成功應(yīng)用于電動汽車，則有望實(shí)現(xiàn)與燃油汽車相比擬的續(xù)航里程（gt500公里）。正因如此，近幾年來鋰空氣二次電池成為研究熱點(diǎn)。但是，前期研究表明，鋰空氣電池的實(shí)用化面臨諸多問題和挑戰(zhàn)。

例如，電池的循環(huán)次數(shù)受限、能量轉(zhuǎn)換效率低以及倍率性能差等。這些問題使很多人對鋰空氣電池的應(yīng)用前景產(chǎn)生了懷疑，對是否需要開展相關(guān)研發(fā)猶豫不決。因此，當(dāng)前迫切需要針對鋰空氣電池實(shí)用化的關(guān)鍵問題開展研究，解析導(dǎo)致這些問題的根本原因及怎樣獲得解決以上問題的有效方案，真正推進(jìn)鋰空氣電池的發(fā)展。

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室離子導(dǎo)電能量轉(zhuǎn)換材料與薄膜鋰電池研究課題組圍繞鋰空氣二次電池的實(shí)用化開展研究，取得了一系列進(jìn)展：

（1）針對電池的循環(huán)壽命問題，率先采用垂直定向碳納米管作為空氣電極，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵反應(yīng)產(chǎn)物L(fēng)i2O2放電成核、長大以及充電溶解演變過程的可視化（如圖1所示）。揭示了空氣電極上Li2O2的可逆生成和分解是保證電池反復(fù)循環(huán)的核心，由副反應(yīng)導(dǎo)致的碳酸鹽的累積是電池循環(huán)容量衰減的主要因素（J.Phys.Chem.C，117,2013,2623-2627；J.PowerSources235,2013,251-255）。

圖1：電池充放電過程中空氣電極表面產(chǎn)物形貌和成分的演變

進(jìn)而通過控制電池工作過程中的鋰氧反應(yīng)深度，實(shí)現(xiàn)了Li2O2可逆性的增強(qiáng)、副產(chǎn)物碳酸鹽生成的抑制，極大提高了電池的循環(huán)壽命（如圖2所示）（Adv.Energy.Mater.，3,2013,1413-1416；EnergyTechnol.2,2014,317-324；J.Inorg.Mater.,29,2014,113-123）。

圖2：電池放電深度和充電截至電壓對電池循環(huán)壽命的影響

（2）針對電池的能量轉(zhuǎn)換效率，即電池充電平臺和放電平臺之間存在較大電壓差的問題（也就是通常所說的過電勢問題），首先考察了受人廣泛關(guān)注的鋰氧反應(yīng)催化劑對能量轉(zhuǎn)換效率或過電勢的影響。

發(fā)現(xiàn)雖然納米Au顆粒和納米MnO顆粒都可以促進(jìn)氧還原反應(yīng)，但是前者在氧析出反應(yīng)中沒有電子交換、只是起到了增加導(dǎo)電性和促進(jìn)副產(chǎn)物分解的作用，而后者在初期循環(huán)的氧析出反應(yīng)中存在電子交換。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，由于產(chǎn)物對納米顆粒的包覆鈍化，兩者對Li2O2的分解促進(jìn)作用都顯著衰減（J.Phys.Chem.C，118,2014,7344-7350；J.PowerSources267,2014,20-25）。進(jìn)而，利用間歇恒電流電位滴定法(GalvanostaticIntermittentTitrationTechnique,GITT)技術(shù)對電池工作過程中過電勢產(chǎn)生的根源進(jìn)行了深入剖析（與中國科學(xué)院物理研究所李泓研究員合作），明確指出在熱力學(xué)平衡的情況下，充放電之間的電位差可以為零（如圖3所示）；熱力學(xué)平衡電位隨溫度的升高而減小。

充電和放電的極化情況不同，前者主要是受Li2O2生長動力學(xué)的影響，后者還要受到副產(chǎn)物的影響（Energy.Environ.Sci.2014,DOI：10.1039/c4ee01777c)。十分有趣的是，當(dāng)用Na代替Li負(fù)極時(shí)，雖然放電過程中生成與鋰空氣電池非常類似的產(chǎn)物NaO2，但是該體系在循環(huán)過程中的過電勢只有0.2V（能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到90%）。造成這一現(xiàn)象的主要原因是NaO2在充電過程中易于分解（Phys.Chem.Chem.Phys.，16,2014,15646-15652)。以上研究結(jié)果表明，Li2O2生成和分解過程是過電勢產(chǎn)生的主要原因，而使Li2O2在充電時(shí)易于分解將會是減小過電勢、提高電池能量轉(zhuǎn)換效率的有效手段。

圖3：鋰空氣電池?zé)崃W(xué)平衡電位的實(shí)驗(yàn)值與理論值比較和數(shù)值為零的熱力學(xué)平衡過電勢

（3）針對電池倍率性能差的問題，研究了Li2O2形貌、反應(yīng)溫度和氣壓、以及Li2O2的預(yù)成核對倍率性能的影響，發(fā)現(xiàn)有效調(diào)控產(chǎn)物形貌、提高反應(yīng)溫度和氣壓、以及預(yù)成核可有效提高電池的充放電倍率（相關(guān)結(jié)果正在整理發(fā)表過程中）。

（4）制作了容量為5Ah的軟包鋰空氣電池。如以電池放電前的質(zhì)量計(jì)算，可獲得大約400Wh/kg的質(zhì)量能量密度，如計(jì)入放電后產(chǎn)物的質(zhì)量，該數(shù)值大約為340Wh/kg。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在大容量電池模塊中，空氣正極的體積膨脹和Li負(fù)極的保護(hù)問題都會更為突出，需要格外受到重視；循環(huán)性能和倍率性能尤其需要提高。

圖4：軟包鋰空氣電池原型器件

通過在鋰空氣二次電池實(shí)用化關(guān)鍵問題方面的系列研究，對制約鋰空氣電池應(yīng)用的瓶頸問題加深了理解，獲得了一些解決這些問題的有效手段。二次鋰離子電池概念的提出是在上世紀(jì)80年代，其發(fā)展到應(yīng)用大約經(jīng)歷了10年左右的時(shí)間。在當(dāng)今科技研發(fā)實(shí)力大幅提高的今天，相信經(jīng)過各方研發(fā)人員的共同努力，鋰空氣電池有望在5到10年得到應(yīng)用（特別是在消費(fèi)電子類產(chǎn)品領(lǐng)域）。

以上研究工作得到了中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金的資助。