本文刊载于《科学观察》2015年第10卷第1期P64—P66。如果您喜欢，欢迎订购我刊。@版权所有中国科学院文献情报中心《科学观察》编辑部。未经许可，不得转载。
锂空气电池(即Li-O2)的出现为本世纪轻量电池的研发带来了希望。该电池应用前景巨大，能提供5倍于当前应用于手机和笔记本电脑的锂离子电池的电量，甚至可以实现电量达1 000瓦小时/千克的充电电池，所需要的仅仅是氧气。此类型的电池将来可用于燃料电动汽车，也可用于存储来自太阳或风力的电能。
Li-O2电池包含一块锂金属阳极，其原子可为电路提供所需的电子。当电子从锂原子释放后，剩余的Li+离子通过电解液迁移到阴极，此时电流中的电子会被来自空气中的氧原子捕捉，从而形成过氧化离子O22—，总体表现出来的化学过程则为：2Li + O2→ Li2O2。
当电池充电时，会发生相反的反应，会重新产生锂原子和氧，氧会被保留在封闭的系统中，如果是在开放的系统中，则氧会被重新补充。虽然整个化学过程很简单，但要实现市场化还需要克服很多障碍。
加拿大滑铁卢大学的Linda Nazar教授目前活跃在Li-O2领域的研究前沿，对锂空气电池的相关问题十分了解。2014年6月，她已跻身汤森路透高被引作者行列。
Linda Nazar教授指出，“我们正在全面研究锂空气化学，包括更好、更稳定的电解液。这与用于氧还原的新活性基质材料有关，这些材料可以抗影响性能的有害副反应。我们的目标是弄清楚氧还原的控制机理，以便掌握到底是什么导致了充放电期间的副反应，从而进一步探索相应的解决办法。”
锂空气电池的一个明显问题是锂本身，锂是活性非常高的金属，很容易失去电子发生反应，所以与之接触的电解液必须是惰性的不能与之发生反应，也必须不能与形成的过氧化离子发生反应。
阴极也有些问题。空气中的氧气需要很容易扩散到阴极，因此其必须多孔，但不能让水或二氧化碳接近并生成LiOH或Li2CO3，因为这两种产物在电池放充电时不会再重新生成锂了。因此，电池需要一层氧渗透膜阻止空气中其他气体进入，从而避免上述问题的出现。碳曾经被认为适用于在众多电池中充当阴极，但在此电池中碳会和过氧化锂发生反应，从而阻止电池充电，因此阴极材料在与过氧化物的接触中必需形成一个惰性层。
尽管困难重重，Li-O2电池的研究仍然取得了众多进展。此类可以多次充放电电池的问世不仅令世人兴奋，而且会带来巨大的经济利益。毫不奇怪，目前在该领域掀起了一股论文浪潮。请参阅表1中发表在Web of Science上的相关优秀论文，论文检索年限为2012－2014年，所有论文的被引频次均已超过70。
论文#1是牛津大学的Peter Bruce教授完成的一篇非常具有影响力及时效性的综述。论文#3则是Peter Bruce教授与韩国、亚特兰大以及加拿大的同行合作撰写的另一篇综述。该项研究关注Li-O2电池的商业化应用问题，特别研究了电解质与阴极。
锂空气电池使用过多种类型的电解质，其中就包括水溶液类型的电解质，但这需要一层惰性的聚合物来保护锂金属。非水溶液的电解质比较惰性，一般不需要额外的保护，有机碳酸盐以及醚类都比较适合。
二甲氧基乙烷CH3OCH2CH2OCH3与碳酸二乙酯(CH3CH2O)2CO是其中两种较好的电解质，但它们也存在一些问题，比如阴极碳酸锂单层的形成会干扰电池的重新充电过程。加利福尼亚SLAC国家加速器实验室的AlanLuntz教授领导的科学小组发表的论文#5，使用X射线光电子光谱以及同位素标记证实了碳电极自身会产生碳酸盐。然而，Nazar发现如果用甲基代替二甲氧基乙烷中的亚甲基形成2,3-二甲基-2,3-二甲氧基丁烷作为电解质使用，其性能会更好(Adv. Energy Mater., 4: 1-11,2014)。
论文#2对有关电解质的问题做了最好的回答，其报道了一款可以反复充电100次且容量仍能保持在95%的电池的研究成果。该电池阴极是纳米多孔金，电解质为二甲基亚砜(CH3)2SO，可100%形成Li2O2。然而正如Bruce教授所指出的，纳米金也有缺陷，他认为使用碳化钛作为阴极效果更好(Nature Materials,12 (11),1049-1055, 2013)。然而，麻省理工学院的同行们对二甲亚砜的使用也同样存在着质疑，因为其会与过氧化锂反应生成氢氧化锂(J. Chem. Phys. Letters,29 July 2014)。
韩国首尔汉阳大学发表的论文#4的主要研究对象是电解质。Yang-Koo Sun及其同事使用四(乙烯)乙二醇二甲基/醚-锂三氟甲磺酸盐CH3(OCH2CH2)4OCH3/CF3SO3Li作为电解质制造了一款电池，该电池可以反复充电50多次，并展示出比目前已知的其他锂空气电池更好的能量密度，且其碳电极不需要使用催化剂。(www.daowen.com)
在论文#11中，Brue教授对N,N-二甲基甲酰胺(CH3)2NC(O)H作为溶剂的性能进行了深入的研究，结果显示其表现不能令人十分满意。同时，他的研究团队也对碳电极进行了研究，在论文#9中Bruce教授对其局限性进行了探讨，特别是当充电电压超过3.5伏时，有关碳酸锂的形成问题。
然而，该领域的主要问题依然是确定哪种材料更适合做阴极。虽然论文#2中使用了纳米金，但目前表现最好的是碳。华盛顿太平洋西北国家实验室的Jun Liu教授发表的论文#7是一篇关于碳阴极催化剂研究困境的综述。
Nazar教授的另一篇文章，论文#10，其研究重点也是催化剂。催化剂可以让氧在重新充电的过程参与反应，并且碳电极自身也能催化过氧化物的形成，但对相反的过程却并没有如此好的催化性能。Nazar教授报道了氧化钌铅烧绿石Pb2Ru2O7-8是一类非常好的催化剂。论文描述了关于该类型化合物合成的新成果，并且表明，其可以形成一个具有可逆能量的高性能阴极，这是一个重大进展。
斯坦福大学的戴宏杰及其同事设计了一款带有氧化锰钴/石墨烯杂化阴极催化剂的Li-O2电池(请参阅论文#8)。催化剂的制备就是MnCo2O4纳米粒子在还原氧化石墨烯上的结晶与生长。该类型的电池在此催化剂的作用下，性能及其使用寿命方面的表现都令人印象深刻，效果明显好于铂催化剂。
Nazar及其同事对超氧化物(O2—)的作用进行了深入研究，因为其被认为是过氧化物(O22—)形成的中间体。论文#6表明超氧化物离子能够与电池中惰性的聚偏氟乙烯发生反应。氢氧化锂作为副产物也会生成。
论文#12出自麻省理工学院的Yang Shao-Horn教授领导的科学小组。他们重点研究了以二甲氧基乙烷为电解质的电池中碳纳米管电极的化学和结构变化的问题。X射线分析显示了在电池数次放电后碳酸锂是如何形成的，碳酸锂对电池性能损害严重。
最新的有关Li-O2电极的研究成果来自于首尔国立大学与得克萨斯大学的合作，该工作研究了多孔碳纳米管电极和催化剂碘化锂的有关问题(请参阅 H.-D. Lim,et al., Angew. Chem. Int. Ed., 53(15):3926-31, 2014)。该研究中电池完成900次的充放电后性能依然表现良好。
锂空气电池什么时候才能获得大规模的应用呢？
Nazar指出，目前预测该类型电池的未来为时尚早，因为此领域中的重大突破随时都可以改变研究进程，我们不能期望10年之内解决所有问题。也许电池技术永远不会走入现实，也许实用的电池很快就可以进入市场。这种不确定性源自化学是门极其复杂的学科，况且电池的单个组件——正负电极、电解质以及它们之间的界面——是高度相互依赖的，每个组件的优化都需要较深的化学知识支撑。
显然，Nazar教授对此作了比较谨慎的评价。然而，在过去的两年时间里，相关工作进展迅速。也许我们可以以一种更加积极的评价来结束本次热点分析：轻盈、持久、优良——这就是锂，元素周期表中的3号金属已经扬帆起航。
翻译：朱海峰 审校：马建华
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
