自1996年Abraham等^[1]首次提出Li-O₂电池的概念以来, Li-O₂电池就以其超高的理论能量密度引起了国内外研究人员的广泛关注.随着近些年来研究的不断深入, 人们越来越认识到Li-O₂电池在未来能源存储领域的发展潜力, 陆续开始将发展的目标投向Li-O₂电池.其中, 在美国能源部(DOE)依托阿贡国家实验室所成立的储能研究联合中心, Li-O₂电池就被认为是其主要的研发对象之一^[2]; 同时, 日本也在过去的7年时间内投入了210亿日元来发展下一代高比能量电池体系, 而Li-O₂电池也在其中; 在国内, 科技部的“973”立项方案中也涉及到了多个关于Li-O₂电池的研究项目.着眼未来, 许多商业研究团队也将Li-O₂电池看作极具潜力的下一代电动汽车动力存储系统, 实现Li-O₂电池的商业化应用已成为该领域的主要发展目标.

图 1所示的锂空气电池相关技术和科学问题, 我们在此前发表的综述论文中已经讨论^[4].虽然Li-O₂电池因其超高的理论能量密度而显示出了巨大的应用潜力, 但作为一种新型储能系统, 其商业化的实现仍然面临着以下几个方面的阻碍^[3-5]:(1)氧还原反应(ORR)及氧析出反应(OER)过程中过电位较大; (2)与理论容量相比, 实际的容量较低; (3)循环过程中容量衰减大.造成这些技术问题的因素较为复杂, 而目前研究人员较为关注的问题主要集中在以下几个方面:(1)Li₂O₂氧化的动力学过程缓慢; (2)电极的腐蚀; (3)电解液的分解; (4)正极孔道的堵塞; (5)气体杂质的污染; (6)负极的不稳定性.近些年来, 人们不断的尝试用各种各样的方法来解决上述问题.圣安德鲁斯大学的Bruce研究团队先后发表过多篇极具代表性的研究成果, 其中, 他们首次报道了TTF在降低Li-O₂电池过电位方面的作用, 并因此带动了一系列关于氧化还原介质(RM)的研究^[6]; 加州大学伯克利分校的McCloskey团队在Li-O₂电池领域发表了大量细致而严谨的基础研究工作^{[7, 8]}; 滑铁卢大学的Nazar研究小组近期发现了Li-O₂电池中的四电子还原机制^[9]; 还有麻省理工学院的Yang团队、美国西北太平洋国家实验室的张继光、许武团队、汉阳大学的Sun团队等都在Li-O₂电池领域取得了一定成果^[10-12].

与国外的研究成果相比, 国内的研究人员在催化剂材料的制备、充放电机理的分析、电极材料的设计与改性方面也取得了众多显著的研究成果.长春应用化学研究所的张新波团队在Li-O₂电池电解液的稳定性和空气正极氧还原/析出双功能电催化性能提升以及高性能电池器件研制等方面开展了大量的研究工作^{[13, 14]}; 长春应用化学研究所的彭章泉研究员, 在Li-O₂电池机理光谱学研究方面开展了大量研究工作, 分析了多种溶剂和催化剂的工作机理, 对该体系的改良和应用提供了理论支持^{[15, 16]}; 南开大学的周震教授在Li-O₂电池领域发表了大量关于正极高效催化剂的研究成果, 为正极材料的结构设计提供了许多思路^{[17, 18]}; 关于Li-O₂电池其他方面的研究, 清华大学张强教授的研究团队在金属锂负极保护方面取得了非常多的研究成果, 为Li-O₂电池的实用化提供了有力支持^{[19, 20]}.

总的来说, 目前研究人员对Li-O₂电池的研究工作已经取得了阶段性的进展, 从固体催化剂到可溶性的氧化还原介质、从电解液的不稳定性到固态电解质的研究应用、从放电中间产物的表征到副产物的分析, 都将在下文中进行详细介绍.同样, 对Li-O₂电池中尚缺乏深入研究的问题, 比如负极锂枝晶的生长, 实际能量密度低、倍率性能差等问题, 仍需要更多的研究和探索.

Li-O₂电池中碳材料最开始的应用主要集中在super P和Ketjen Black等商业炭黑材料, 随后, 石墨烯、碳纳米管、碳布等材料也被大量的采用, 并取得了一系列进展.通过对这一系列碳材料的研究发现, Li-O₂电池的放电容量很大程度上依赖于碳材料的孔体积, 而不是材料的比表面积^[21-23].不仅如此, 研究人员还发现, 碳材料中的大孔结构(> 100nm)对氧气的扩散和大尺寸环状放电产物的沉积十分有利; 因此, 在碳材料的设计上, 需要具有不同尺寸的孔结构相结合来实现最优的放电比容量.基于这一想法, 近些年来, 关于特殊相貌的碳材料的研究层出不穷, 如空心结构的石墨烯材料、三维管状的碳材料、层状堆叠的多层碳材料等, 这些结构都有效地提高了Li-O₂电池的能量密度.

尽管碳材料的发展在不断进步, 但是, 碳正极的腐蚀问题也随之逐渐走进了研究人员的视野, 这也是目前制约Li-O₂电池发展的主要问题之一.McCloskey研究团队率先对碳材料的稳定性提出了怀疑^[7], 并给出了如下所示的放电产物Li₂O₂与碳正极之间可能发生的反应:

(1)

(2)

后续的研究人员不断通过各种各样的测试方法证实了碳电极在4V以上充电电位下的不稳定性, 因此, 基于碳基正极的Li-O₂电池, 其循环寿命受到了极大的限制.

碳正极的不稳定性将近几年来Li-O₂电池碳基正极的研究推向了电极的改性及修饰方面.加拿大的Nazar研究团队报道了一种纳米氧化钴颗粒修饰的还原氧化石墨烯正极材料(Co₃O₄/RGO)^[24], 引入这一正极材料后, 得益于其对Li_xO₂分子在电极表面传输过程的促进作用, Li-O₂电池的充电过电压降低了400mV.日本AIST研究所的周豪慎团队设计过一种RuO₂包覆的碳纳米管正极来避免碳材料和Li₂O₂的直接接触, 同时RuO₂催化剂能够显著的降低Li₂O₂产物分解的过电位, 从而有效的减少电池循环过程中副反应的产生^[25]; 除了贵金属和过渡金属氧化物的引入外, 研究人员还尝试了通过杂原子的掺杂来改善碳基正极材料的稳定性, 如N原子、B原子等^{[26, 27]}.关于这一类电极材料的研究较多, 但是都无法全面的满足Li-O₂电池对电极催化性能的要求.N掺杂的石墨烯、多孔碳等材料虽然可以提高电极的催化活性, 但无法有效促进电子的快速迁移^[26]; B原子在碳材料中的引入虽然可降低OER过程中速控步骤的能垒, 但是电池的循环寿命仍旧十分有限^[27].为了进一步解决Li-O₂电池充电过程中动力学过程缓慢等问题, 提高电池的可逆性和倍率性能, 以贵金属和过渡金属为主的金属氧化物逐渐走进了研究人员的视野.

如前所述, 碳正极的不稳性难以得到彻底地解决, 因此, 寻找新的可替代的无碳Li-O₂电池正极材料也是近些年来的研究热点.金属及其氧化物因其良好的电子电导率、形貌可控、成本低等优点受到了广泛的关注.得益于上述优点, 以贵金属(如Pt, Au, Ru, Pd等电极)为正极的Li-O₂电池的充电/放电过程中的过电压都得以显著降低.但是, 这一类材料最大的弊端在于其稀缺的自然储量, 造成电池成本的大幅提升, 并不适用于大规模的能量存储设备.因此, 近些年来, 涌现出了大量关于非贵金属氧化物催化剂的研究, 其中过渡金属(Co、Mn等)氧化物因其成本低廉、制备方法简单, 成为了目前研究较多的一类无碳正极材料^{[28, 29]}.过渡金属氧化物中的金属阳离子其d电子层的电子较活跃, 容易得失电子, 因此具有较强的氧化还原特性.关于这一类材料的研究, 近些年来发展很快, 材料在结构设计上的创新也从层出不穷.在性能方面, 由于过渡金属氧化物的类半导体特性, 其导电性与纯碳材料相比较差.因此, 在材料的设计过程中通常需要引入上述所提及的贵金属来弥补这一不足, 进而最大限度的发挥材料的催化活性.在结构方面, 关于过渡金属氧化物的形貌设计多集中纳米尺寸, 如纳米针状、纳米片状、纳米线、纳米花状及泡沫状等.纳米结构的设计可以有效缩短正极材料与集流体之间的电子迁移路径、增加放电产物的沉积空间.得益于上述结构和组分方面的调控, 基于这一类无碳正极(Co₃O₄、(Co, Mn)₃O₄、钛氧化物等)的Li-O₂电池, 其倍率性能及循环稳定性都得到了显著提升.

除了上述提到的碳基正极和无碳正极, Mo₂C, MoS₂, TiC, TiN等电极材料也先后被应用到了Li-O₂电池中, 至此, 关于Li-O₂电池固体催化剂方面的研究逐渐由材料的制备转向结构调控及机理分析^[30].

值得注意的是, 虽然正极固体催化剂的应用可以有效降低电池的过电压、提升电池的循环寿命, 但随着研究的不断深入, 其相应的弊端也越来越明显.首先, 金属氧化物催化剂的质量较大, 将限制Li-O₂电池的能量密度; 其次, 固体催化剂与固体放电产物之间的“固固接触”不利于电荷转移, 有碍于过电压的降低.针对上述问题, 研究人员又将研究的重点转移到了电池的另一组分——电解液当中.

Li-O₂电池的因其体系的开放性, 电解液中所存在的问题往往更多, 对Li-O₂电池来说, 理想的质子惰性电解质需要满足以下几点要求:黏度低、介电常数高、氧气溶解度高、不易挥发、电化学窗口够宽、不与电极材料发生反应.除了可能存在的电化学反应, 还存在着一系列化学反应.在Li-O₂电池的早期研究中, 碳酸酯类的电解液得到了广泛的应用.但随着研究的不断深入, 通过电化学微分质谱(DEMS)结合同位素(¹⁸O₂)标记的方法, 研究人员发现, 以碳酸酯为溶剂的Li-O₂电池, 放电时每个氧气分子消耗的电子数 > 2, 这说明在该过程中还存在着部分副反应^[8].随着固体副产物Li₂CO₃和R-O-(C-O)-OLi(R=烷基)的发现, 研究人员意识到, 碳酸酯类的电解液并不适用于Li-O₂电池体系^[31].相比之下, 醚类电解液在Li-O₂电池中的应用变得更为广泛, 但值得注意的是, 这一类溶剂也并非绝对稳定, 其在OER过程中的稳定性仍有待商榷.

醚类作为目前Li-O₂电池中的主要溶剂, 其主要的原因来自于以下的几个方面:热稳定性好、价格低廉、极性小, 其中分子量较大的醚类不易挥发, 比如四乙二醇二甲醚(TEGDME)与金属锂接触时比较稳定; 同时, Aurbach的研究团队还发现^[32], 短链的醚类分子(比如乙二醇二甲醚DME)不仅不会与氧气还原的中间产物(O₂^-)发生反应, 还是目前报道的Li-O₂电池中O₂溶解度最高的溶剂之一.在这些以醚类为电解液的Li-O₂电池中, 电池放电时每个氧气分子消耗的电子数~2.05±0.05, 非常接近反应2Li⁺ +2e^- +O₂ ↔ Li₂O₂.如前所述, 虽然醚类电解液在放电过程中的稳定性得到了显著提升, 但关于其在高电位条件下的稳定性却不容乐观^[8].除此之外, 研究人员还尝试了其他种类的溶剂, 包括乙腈、离子液体、二甲基亚砜(DMSO)等, 但仍无法满足Li-O₂电池电解液的全部需求.DMSO溶剂虽然在循环过程中稳定性较好, 但无法避免其与负极金属锂之间的直接反应; 离子液体的电化学窗口宽、稳定性好, 但是其黏度大, 导致氧气的扩散系数低, 电池的放电容量小.

相对液体电解液而言, 固态电解质的引入可以为Li-O₂电池带来如下优点:避免由于电解液的挥发和泄露造成的一系列问题, 防止电池的燃烧甚至爆炸; 电池可以具有较长的循环寿命; 避免金属锂负极被空气极扩散进来的H₂O或CO₂腐蚀; 由此可见, 固态电解质有望从根本上解决Li-O₂电池实用化的问题.但与传统的液体电解液相比, 固态电解质的锂离子电导率较低, 虽然其机械强度高, 但是组装成电池后的界面(电解质与金属锂、电解质与空气正极)阻抗会非常大, 导致电池的能量利用效率降低.为了解决这一问题, 目前主要有以下几种技术手段:(1)提高电池的工作温度来增加体系的离子电导率; (2)在电极/电解质界面间加入缓冲层来提高离子电导率, 即目前报道较多的准固态电解质; (3)利用正极载体和电解质复合的整体结构构建电子-锂离子-氧气的交联网络结构, 即复合空气正极.

虽然Li-O₂电池在正极催化剂方面的研究已经取得了明显的进步, 但放电产物难溶解的问题仍然存在, 寻找新的可促进Li₂O₂等产物的溶解度和迁移速率的方法成为了当下Li-O₂电池的主要研究内容.基于此, 一类可以氧化固体Li₂O₂的可溶性氧化还原活性分子(氧化还原介质, RM)被广泛应用到Li-O₂电池体系中.

氧化还原介质的工作原理如下:首先, RM分子溶解在电解质中, 当电压随着OER过程的进行而逐渐升高时, RM将现在电池的阴极被氧化成RM⁺, 随后, RM⁺分子氧化放电产物Li₂O₂, 而其自身则又被还原成RM.与电极上的固体催化剂相比, 这种可溶性的RM分子与放电产物之间实现了一种更为有效的“固液接触”, 催化剂与放电产物之间的接触位点更多, 进而可以更加有效的实现放电产物的催化分解.综上所述, 理想的氧化还原介质必须具备以下几个特点:(1)在电解液中可溶解; (2)其氧化还原反应完全可逆; (3)其分子本身的平衡电位必须低于原来电池的OER电位, 同时高于原电池的ORR电位; (4)稳定不易分解, 同时不与金属锂发生反应.随着这一系列可溶性氧化还原介质的应用(TTF, FePc, TEMPO, DMPZ, Co-TPP等), Li-O₂电池的充电过电位明显降低.最近, 引入了LiI的Li-O₂电池的过电位仅有0.25V^[33].

除了上面提到的OER氧化还原介质, 还有一种催化ORR过程的氧化还原介质, 如DBBQ.放电时, DBBQ先于O₂在电极表面被还原成LiDBBQ, 随后LiDBBQ与O₂反应, 生成DBBQ和Li₂O₂, 在这一过程中, 不仅避免了中间产物超氧化锂等的产生, 还可以缓解Li₂O₂对正极孔隙的阻塞, 从而增加了电极的稳定性和电池的放电比容量.基于这两类RM分子的发现, Bruce的研究团队提出了一种“双-氧化还原介质”的方法.如图 2所示, 因为电解液中同时存在两种不同类型的RM分子(TEMPO和DBBQ), Li-O₂电池实现了500-600Wh/kg的能量密度^[34].这一设计的实现, 为Li-O₂电池的实际应用提供了新思路, 只要寻找到氧化电位更低的RM分子和更加稳定的电解液溶剂, Li-O₂电池的电化学性能将得到进一步提升.

除了上文提到的氧化还原介质, 其他可溶性的电解液添加剂, 如H₂O, 也吸引了广泛的关注.Gasteiger的研究团队曾发现, 在Li-O₂电池电解液中引入H₂O分子, 可以增加电池的容量^[35]; 后续的研究结果发现, H₂O的加入可以增加放电产物在电解液中的溶解度, 从而形成大量圆环状的放电产物, 提升电池的放电比容量; 同时, 放电产物中会出现LiOH^{[17, 36]}.除此之外, 考虑到放电产物的累积所造成的正极孔道的堵塞, 以及Li₂O₂氧化的动力学过程缓慢, 研究人员也尝试了在Li-O₂电池电解液中引入功能性添加剂或溶剂, 来增加放电产物的溶解度、加快OER动力学过程.如彭章泉团队的六甲基磷酰胺(HMPA)^[37]和周豪慎团队的氯甲酸三氯乙酯(TCCF)^[38], 这类添加剂的尝试为Li-O₂电池未来的发展提供了新的思路.

除了添加剂对Li-O₂电池正极产生的影响外, 近些年来, 随着锂金属负极保护的研究热潮兴起, 电解液添加剂在Li-O₂电池负极金属锂方面的相关研究也不断增多.由于Li-O₂电池特殊的开放式结构, 导致金属锂一旦与氧气或电解液直接接触, 便会发生一系列副反应.因此, 研究人员不断地尝试在电解液中引入合适的添加剂, 从而在锂金属表面构建化学性质稳定, 结构致密的保护层来缓解相应的副反应, 比如近期报道的硼酸添加剂等^[39].由于本文篇幅有限, 关于负极金属锂保护的相关研究在这里将不再赘述.

由于结构上的特殊性, 锂氧气电池的反应机理比锂离子电池更为复杂, 随着电解液添加剂的引入, 不同催化剂的应用, 放电产物的变化等, 电池的反应机理都将发生明显变化, 因此, 基于Li-O₂电池反应机理的研究一直都是该领域的研究热点.

关于放电产物Li₂O₂的形成机理, 首先, 从正极扩散进来的氧气被吸附在电极的表面, 随后与Li⁺反应形成LiO₂, 在LiO₂转化成Li₂O₂的过程中, 目前有两种观点:(1)LiO₂继续被电化学还原成Li₂O₂; (2)LiO₂通过歧化反应生成Li₂O₂和O₂.其中放电中间产物LiO₂不稳定, 为了观察它的产生和反应过程, 往往需借助原位表面增强拉曼光谱来进行表征.同时, 拉曼光谱观察发现, 虽然放电时O₂还原为Li₂O₂的过程中有中间产物LiO₂的参与, 但是充电时, 却并没有观察到LiO₂, 而是Li₂O₂直接分解释放出O₂.此外, 关于放电产物Li₂O₂的形貌结构, 目前普遍认为, 当电池的放电电流密度较小时, O₂通过溶液路径形成环状的Li₂O₂(250nm-1μm), 相应的放电容量比较大, 但同时, 由于放电产物的尺寸较大, 电池充电时的过电位也较大; 而在大电流密度下, 则通过表面机制形成片状的Li₂O₂, 厚度的大小与具体的放电电流密度有关, 在这一机制下, 电池的放电容量虽然较小, 但是由于放电产物与电极表面的紧密接触, 电池的充电过电位比较小.值得注意的是, 在不同的研究体系内, 由于放电电流密度、充放电电位、电解液组分和电极材料的不同, 放电产物的形貌也会出现相应的变化.

除了上述提到的以过氧化锂为放电产物的两电子还原过程外, 最近, 有研究人员报道了一种以熔融盐为电解质的, 通过高度可逆的四个电子氧化还原反应产生Li₂O的新型Li-O₂电池^[9].对于这一机制的解释, 研究人员认为在熔融盐电解质中, 电池的温度较高, 热力学上的驱动力促使氧气在还原过程中更倾向于形成Li₂O而不是Li₂O₂.这一发现为Li-O₂电池库伦效率的提升带来了新的思路.

在Li-O₂电池的机理研究中, 原位表征技术必不可少, 包括原位表面增强拉曼光谱:与普通的拉曼散射效应相比, 表面增强拉曼是一种与粗糙表面相关的表面增强效应, 能够有效地避免溶液相中相同物种的信号干扰, 轻而易举地获取高质量的表面分子信号.如图 4(a)所示, 周豪慎课题组曾在以LiI为添加剂的Li-O₂电池中, 采用了原位拉曼技术对电池的放电产物及中间产物进行了分析.众所周知, Li-O₂电池在放电过程中, 部分中间产物极不稳定, 借助拉曼光谱对放电过程中的电极表面的状态进行实时检测, 可以表征到电极材料上中间产物的分子振动信息, 确定产物的结构组成, 进而进行反应过程的分析.在此, 我们将Li-O₂电池的放电产物及可能的中间产物的拉曼位移位置总结如下:O^2- ≈ 1105-1110 cm^-1; LiO₂ ≈ 1125-1130 cm^-1; Li₂O₂ ≈ 258, 790-805 cm^-1; Li₂CO₃ ≈ 1093 cm^-1; LiOH ≈ 331, 620 cm^-1; Li₂O ≈ 529 cm^-1.通过对比拉曼位移出现的位置可以观察到电极表明产物的变化, 进而分析电化学反应的过程, 该技术手段目前以被广泛应用到Li-O₂电池的机理分析中.

除此之外, 图 4所示的其他技术, 如原位XRD技术、红外光谱、及AFM技术等也在Li-O₂电池的研究中发挥了巨大的作用.XRD技术可以与红外光谱结合, 对Li-O₂电池的固体放电产物进行表征.由于拉曼技术的局限性, 只能对极片表面的物质进行检测, 同时检测的结果也受限于操作者的位置选取; 相比之下, XRD技术和红外光谱技术对样品的检测要更为方便, 但同时由于这两种技术的在线表征对样品要求复杂, 难以普及, 因此, 在中间固相产物表征方面并没有拉曼测试方便.在Li-O₂电池放电过程的分析中, 由于各个表征技术都存在着不同的局限性, 往往需要同时结合两种或更多的技术方法对同一过程进行分析比较, 从而得出更加可靠的结论.此外, 由于放电过程中有气体参与反应, 为了对该过程中的中间产物进行表征, 传统的扣式电池结构将不能直接用于传统的拉曼及XRD技术中, 为了解决这一技术问题, 研究人员通常采取自行设计的电池模具.拉曼测试中, 将气体的流通管路与有石英玻璃窗口的电解池相结合, 使激光能够透过石英窗口对电极表面发生的变化进行同步观测; 原位XRD测试的应用相对较少, 为了保证衍射信号的强度, 便于对产物变化的观察, 进行原位表征的电极片上的活性物质往往要重于电化学循环过程中电极片的活性物质载量, 在集流体的选择上, 要充分考虑集流体衍射峰对物相变化的衍射峰的干扰.

与上述放电过程不同, 在Li-O₂电池的充电过程中, 往往会有气相物质的产生, 为了对该过程中产生的气相物质进行定性和定量的分析, 需要差分电化学质谱技术(DEMS).近些年来, 为了能够更快速、更有效地分离并分析样品, 研究人员尝试通过气相色谱与质谱的联用来完成对该过程的分析.以气相色谱作为进样系统, 对样品各组分进行分离; 以氦气作为载气, 其分子质量小、扩散速度快、图谱简单, 因此不会对检测样品的图谱造成干扰; 以质谱作为检测系统, 收集样品中各组分分离后的峰信号与信号强度.如图 4(e)所示, 在我们之前研究中, 通过DEMS技术对电池充电过程中气体释放的规律进行分析, 发现随着充电电位的上升, 电池中O₂的释放速率逐渐升高; 当电位稳定在一定平台处时, 电池中O₂的释放速率趋于稳定; 后续随着放电产物逐渐分解完全, 电池的电压迅速上升, 相应的该阶段的O₂的释放速率会逐渐下降.同时, 基于电池体系中电解液组分, 充电电压平台的不同, 有些研究结果中还检测到有微量CO₂释放, 这可能是由于放电产物Li₂O₂与碳基底直接接触生成的少量副产物Li₂CO₃分解所致.

与电池的放电过程不同, 随着充电电压的变化, Li-O₂电池在充电过程中既有气相产物的生成, 又伴随着固相产物的变化及消失.对这一变化过程的表征往往需要借助两种或两种以上的原位表征技术, 如DEMS与拉曼光谱相结合、GC-MS与电镜技术相结合等.值得注意的是, 在对充电过程气体产物的表征方面, 由于目前的测试技术中需要通入载气对样品仓内的气氛进行校准及观测, 因此, 在测试过程中需要考虑电解液的挥发性等因素对原位表征中电池的电解液添加量进行调整.上述表征方法中, 可以同时借助电化学曲线中的同一电化学过程来综合分析其他表征结果中所对应的测试结果, 为电池充电过程中的机理分析提供重要依据.除此之外, 近年来, 越来越多的表征技术被陆续应用到Li-O₂电池放电产物分解的研究中.环境透射电子显微镜可以在氧气气氛下进行工作, 因此, 借助这一手段, 研究人员可以成功观察到固态Li-O₂电池正极表面放电产物的生成过程及形貌变化; 通过原位-场发射电镜的应用, 可以观察放电产物在分解过程中的形貌变化规律, 从而为电极材料的设计及改性提供方向.

从Li-O₂电池的首次提出至今, 不仅成功引起了新能源领域内的广泛研究, 还取得了一系列非常显著的成果; 从电极材料的设计改性、到电池的反应机理研究, 从对电极/电解液不稳定性的探索、到各种表征分析技术的突破, 都在不断的推进Li-O₂电池向实用化的目标前进.针对当前阶段Li-O₂电池中尚未得到妥善解决的问题, 我们提出了如图 5所示的几点建议.

基于之前发表的观点^[43], 我们认为锂氧气电池今后的主要发展方向应主要集中在提高电池的循环可逆性方面:由于电池在充放电过程中的副产物较多, 将极大地影响电解液和催化剂的使用寿命, 因此, 如何避免反应过程中的副产物将是锂氧气电池今后的主要发展方向; 同时, 关于Li-O₂电池新型电解质体系的开发及应用, 尤其是(准)固态电解质的研究将明显改善电池循环过程中的电解质分解等问题, 为Li-O₂电池的稳定循环创造条件; 此外, 锂氧气电池由目前的封闭体系向未来的开放体系推进面临着极大的挑战, 反应环境的复杂性所带来的一系列问题(电解液兼容性、锂负极稳定性、电极材料的活性)都需要得到解决.

综上, 我们认为, 选择更加稳定的电解质体系(包括固体电解质和准固态电解质)、提升负极金属锂的稳定性、寻找更加稳定的正极材料、设计高效稳定的开放体系都将是锂氧气电池未来十分有前景的发展方向.