鋰氧氣電池是利用鋰金屬和空氣中的氧氣實(shí)現(xiàn)化學(xué)能-電能直接轉(zhuǎn)換的清潔儲(chǔ)能體系。根據(jù)鋰金屬質(zhì)量計(jì)算的二次鋰氧氣電池的理論能量密度達(dá)11400W·h/kg，接近汽油的能量密度（13000W·h/kg），這是將其應(yīng)用于新能源汽車動(dòng)力電源的研究源動(dòng)力。如果計(jì)入來自空氣的反應(yīng)物氧氣的質(zhì)量，其理論能量密度為3505W·h/kg（Li₂O₂），能夠?qū)崿F(xiàn)的能量密度預(yù)計(jì)可達(dá)600W·h/kg以上，應(yīng)用于新能源汽車可使得一次充電續(xù)航里程達(dá)到500-800 km，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)提出的新能源汽車動(dòng)力電池發(fā)展目標(biāo)的重要的電化學(xué)儲(chǔ)能體系。然而，這種電池體系在較大程度上受到陰極表面電化學(xué)形成的過氧化鋰（Li₂O₂）的限制，導(dǎo)致低實(shí)際容量和電池過早失效。 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員張濤團(tuán)隊(duì)與劉建軍團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)表了基于“原位電化學(xué)策略”制備具有亞穩(wěn)態(tài)表面層的氧化物催化劑的系列工作。研究經(jīng)第一性原理計(jì)算和電化學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，氧氣可以通過鈰-氧反應(yīng)與電解質(zhì)中溶解的鈰陽(yáng)離子結(jié)合，形成具有高能亞穩(wěn)態(tài)表面的氧化鈰催化劑。這種催化劑表面具有大量不飽和活性位點(diǎn)，且在晶格O和相鄰的Ce原子之間架起電子傳輸橋。這種Ce-O軌道雜化還形成了從CeO₂的Ce-4f到Li₂O₂的O₂^2--π^*的直接電荷轉(zhuǎn)移通道，最終通過隨后發(fā)生的鋰氧反應(yīng)在亞穩(wěn)態(tài)催化劑表面生長(zhǎng)出厚度達(dá)亞微米級(jí)的Li₂O₂殼層。該工作將鋰氧氣電池的可逆容量從普遍報(bào)道的1000 mAh/g提升到10000 mAh/g，且具備良好的循環(huán)性能。相關(guān)成果以Unlock restricted capacity via O-Ce hybridization for Li-oxygen batteries為題，發(fā)表在Advanced Materials上。 

　　“原位電化學(xué)策略”是該團(tuán)隊(duì)提出的利用鋰氧氣電池的氧化環(huán)境，在電池放電過程中通過高平衡電位的金屬-氧氣電化學(xué)反應(yīng)制備亞穩(wěn)態(tài)金屬氧化物催化劑的方法。通過這一策略制得的氧化物催化劑，一方面可在催化劑表面產(chǎn)生低配位活性位點(diǎn)，提高催化劑的表面催化活性；另一方面可調(diào)控催化劑的表面電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)氧化物催化劑與鋰氧產(chǎn)物間的界面電荷轉(zhuǎn)移能力。前期工作提出了可在室溫下合成亞穩(wěn)態(tài)氧化鎵催化劑的方法，為同時(shí)提高鋰氧氣電池的放電容量和能量效率提供了新思路。相關(guān)成果以Partial disproportionation gallium-oxygen reaction boosts lithium-oxygen batteries為題，發(fā)表在Energy Storage Materials上，并已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。 

　　研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家高層次人才專項(xiàng)特殊支持計(jì)劃、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”及山東泰安產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院等的支持。 

　　論文鏈接：1、2  

在鋰氧氣電池中通過金屬-氧電化學(xué)反應(yīng)活化氧氣分子

原位CeO_2-δ及CeO_2-δ@Li₂O₂的結(jié)構(gòu)特征

具有高容量的鋰氧氣電池的電化學(xué)循環(huán)性能

第一性原理計(jì)算和導(dǎo)電探針原子力顯微鏡測(cè)試