Nature：更长寿命Li-O2电池，电动汽车续航在望！

第一作者：Mohammad Asadi,

通讯作者：Amin Salehi-Khojin、Larry A. Curtiss

第一单位：伊利诺大学芝加哥校区（美国）

Li-Air电池具有比锂离子电池更高的理论能量密度（ 3582 Wh kg ⁻¹ ），和 Li-S 电池一同被视为锂离子电池的有力接班人，也是电动汽车领域发展的重要技术储备和战略支撑。

表 1. 各种电池性能对比

Peter G. Bruce et al. Li–O ₂ and Li–S batteries with high energy storage. Nature Materials 2012, 11, 19–29.

然而， Li-Air 电池中的复杂化学反应涉及到一系列副反应和寄生反应，并由于电池活性组分——空气中氧气的稀薄，以及空气中 CO ₂ 、 N ₂ 、水蒸气的存在，而使得副反应加剧，从而导致实际能量密度较低，使用寿命也较短，电池应用仅限于纯氧体系（ Li-O ₂ 电池）。另外，由于需要储存氧气， Li-O ₂ 电池的体积能量密度难以满足实际需要。

图 2. Li-O ₂ 电池示意图

有鉴于此，美国伊利诺大学芝加哥校区的 Amin Salehi-Khojin 课题组和美国阿贡国家实验室的 Larry A. Curtiss 课题组合作，通过合适的正极、电解液以及保护性负极，发展了一种可在模拟空气环境中稳定工作的长寿命 Li-Air 电池。

图 3. 保护性负极

在电池的配置上，研究人员以 MoS ₂ 作为正极，碳酸锂类材料作为保护性负极，电解液则选择离子液体 / 二甲基亚砜。 各种材料协同作用，确保这种 Li-Air 电池在模拟的空气环境中（ O ₂ 、 N ₂ 、 CO ₂ 、 H ₂ O ）可以稳定循环 700 圈（ 500 mAh g ^{− 1} ）。

图 4. Li-Air 电池系统中正极性能

为了抑制 Li-O ₂ 电池在模拟空气中的副反应，研究人员主要采取了以下 2 种策略：

1）采用 Li ₂ CO ₃ /C 涂层保护 Li 负极，该涂层仅允许 Li ⁺ 通过，从而保护负极不和空气中其他物种发生反应。同时，从热力学角度考虑， Li ₂ CO ₃ 并不会和水反应形成碳酸氢盐。

2）采用 MoS ₂ 纳米片作为正极材料，并采用离子液体（ EMIM-BF ₄ ）和 DMSO 混合溶剂作为电解质。

同时， DFT 计算也表明，这种结构的电池配置，有效地防止了空气中各种副反应的发生。