锂空气电池研究述评

锂空气电池研究述评一、本文概述随着全球能源需求的持续增长和环境保护意识的日益增强，高效、环保的能源存储技术已成为当前研究的热点。锂空气电池作为一种新型高能量密度的二次电池，具有极高的理论能量密度和低成本的优势，因此备受关注。本文旨在全面综述锂空气电池的研究现状、存在问题以及未来发展趋势，以期为推动锂空气电池的实际应用提供有益的参考。本文将首先介绍锂空气电池的基本原理、结构特点以及性能优势，阐述其作为下一代能源存储技术的巨大潜力。接着，重点分析锂空气电池在材料选择、电极设计、电池性能优化等方面的研究进展，同时探讨其在实际应用中面临的挑战，如安全性、循环稳定性、成本等问题。在此基础上，本文还将展望锂空气电池的未来发展方向，包括新型电极材料的研究、电池结构的优化、电解质的改进等方面，以期为锂空气电池的实用化进程提供指导。二、锂空气电池的工作原理与类型锂空气电池的核心工作原理基于锂与氧气的电化学反应。在放电过程中，锂空气电池的阳极由锂金属构成，它与电解质中的锂离子发生反应，释放出电子。这些电子通过外部电路流向阴极，产生电流。同时，空气中的氧气透过阴极的多孔结构进入电池内部，在阴极表面与水和电子反应生成氢氧根离子（OH）。这些氢氧根离子与锂离子结合，形成锂水合氧化物（LiOH）或锂过氧化锂（Li2O2），储存能量。在充电过程中，电池的阴极施加一个反向电压，促使储存的锂水合氧化物或锂过氧化锂分解，释放氧气和电子。氧气排出电池，电子回流至阳极，完成充电过程。非水性锂空气电池：使用非水性电解质，如醚类或碳酸酯类溶剂，与锂盐混合。这种电池类型在较宽的温度范围内工作，但通常面临较高的过电势和较低的循环稳定性问题。水性锂空气电池：使用水作为溶剂，与锂盐混合形成水性电解质。这种电池具有较低的过电势和较好的循环稳定性，但工作温度范围受限，通常需要在加热的条件下运行。固态锂空气电池：采用固态电解质替代液态电解质，可以是聚合物或无机材料。固态电池提供了更好的安全性和更高的能量密度，但面临较大的技术挑战，如电解质与电极的界面接触问题和离子传输效率。有机无机杂化锂空气电池：结合有机和无机材料的优点，使用有机聚合物作为电解质基体，掺杂无机离子导体以提高离子传输效率。这种电池在提高电池性能方面显示出潜力，但仍需进一步研究以克服其稳定性和寿命问题。通过深入研究锂空气电池的工作原理与类型，科学家和工程师可以不断优化这种电池技术，提高其能量密度、循环寿命和安全性，为未来的清洁能源存储和电动交通工具提供更可靠的解决方案。三、锂空气电池的关键材料与技术正极材料是锂空气电池的核心部分。由于锂空气电池的工作原理涉及氧气与锂金属的反应，正极材料需要具备高的催化活性，以促进氧气的还原和析出。目前，研究者们正在探索各种催化剂，如贵金属催化剂、过渡金属氧化物和碳纳米材料等，以提高电池的放电性能和循环稳定性。电解质在锂空气电池中扮演着重要的角色。电解质需要具有良好的离子导电性、化学稳定性和机械强度，以防止电池内部短路和燃烧。固体电解质和离子液体等新型电解质材料因其优异的性能，在锂空气电池中得到了广泛的关注和研究。锂空气电池的电池结构和设计也是影响其性能的重要因素。研究者们通过优化电池结构，如采用纳米结构设计、多孔电极等，以提高电池的活性物质利用率、反应动力学和循环稳定性。锂空气电池的安全性问题也不容忽视。由于锂空气电池在充放电过程中涉及到氧气和锂金属的反应，因此可能产生高温、高压甚至燃烧等安全问题。研究者们正在通过改进电池结构和材料、引入热隔离和安全阀等措施，以提高锂空气电池的安全性。锂空气电池的关键材料与技术涵盖了正极材料、电解质、电池结构和设计以及安全性等方面。随着科技的不断进步，锂空气电池在这些关键领域的研究将有望取得更大的突破，推动锂空气电池向商业化应用的迈进。四、锂空气电池的性能评估与优化锂空气电池作为一种新型高能量密度电池，其性能评估与优化至关重要。性能评估主要涉及到能量密度、功率密度、循环寿命、安全性等方面的考量，而优化则主要关注电池材料、结构设计、反应机制等方面的改进。能量密度和功率密度是评估锂空气电池性能的重要指标。高能量密度意味着电池在相同体积或质量下能存储更多的能量，而高功率密度则代表电池能在短时间内释放大量能量。为了实现这些性能的提升，研究者们需要不断寻找具有更高理论容量的正负极材料，同时优化电池的结构设计，如电极的孔隙结构、电解质的选取等。循环寿命是评估锂空气电池实用性的重要参数。由于锂空气电池在充放电过程中会涉及到复杂的化学反应，因此电池材料的选择和结构设计都需要考虑到循环过程中的稳定性和耐久性。电池在充放电过程中产生的副产物也需要得到有效管理和控制，以防止其对电池性能产生负面影响。安全性是锂空气电池商业化进程中必须考虑的因素。锂空气电池在工作过程中可能会面临如过充、过放、短路等安全风险，因此需要通过合理的材料选择和结构设计来提高电池的安全性。研究者们也需要不断探索新的电池管理系统和故障预警机制，以确保电池在实际应用中的安全可靠性。锂空气电池的性能评估与优化是一个复杂而重要的过程，需要研究者们从多个角度进行深入研究和探索。通过不断的技术创新和改进，相信锂空气电池将在未来得到更广泛的应用和推广。五、锂空气电池的安全性与可靠性锂空气电池作为一种新型的高能量密度电池，其安全性和可靠性一直是研究者们关注的焦点。安全性问题主要源于锂空气电池在工作过程中可能产生的内部短路、燃爆和燃烧等风险，而可靠性问题则涉及到电池循环寿命、自放电率、存储稳定性等多个方面。在安全性方面，锂空气电池面临着锂金属负极与空气中的氧气直接接触所带来的风险。锂金属的高活性使得其在与氧气接触时容易发生反应，产生锂氧化物，从而引发电池内部短路。为了解决这个问题，研究者们尝试采用多层结构和电解质改性等手段来提高电池的安全性。多层结构通过在锂金属负极和电解质之间引入额外的隔离层，防止了锂金属与氧气的直接接触。而电解质改性则通过改变电解质的化学性质，使其能够在锂金属表面形成稳定的保护膜，从而抑制锂金属与氧气的反应。在可靠性方面，锂空气电池的循环寿命和自放电率是评估其性能的重要指标。锂空气电池的循环寿命受到多种因素的影响，包括电解质的稳定性、电池结构的设计以及充放电过程中的副反应等。为了提高电池的循环寿命，研究者们致力于开发更稳定的电解质材料和优化电池结构。自放电率也是影响锂空气电池可靠性的重要因素。自放电率过高会导致电池在存储过程中失去过多的电荷，从而影响其使用性能。为了降低自放电率，研究者们通过改进电解质材料和优化电池制造工艺来减少电池内部的副反应。锂空气电池的安全性和可靠性是制约其实际应用的关键因素。通过不断优化电池结构和材料、改进制造工艺以及深入研究电池的工作原理和失效机制，我们有望在未来实现锂空气电池的安全可靠应用。这将为电动汽车、可穿戴设备等领域的发展提供强大的动力支持，推动人类社会向更加绿色、高效的能源未来迈进。六、锂空气电池的应用领域与市场前景锂空气电池作为一种高能量密度的电池技术，其潜在的应用领域和市场前景引起了广泛的关注。随着技术的不断进步和成本的降低，锂空气电池有望在多个领域实现突破性的应用。在移动能源领域，锂空气电池能够为电动汽车、无人机和可穿戴设备等提供更长的续航时间。特别是电动汽车，锂空气电池的高能量密度有望解决当前电池续航里程短、充电时间长等瓶颈问题，从而推动电动汽车的普及和发展。在固定能源存储领域，锂空气电池可用于智能电网、分布式能源系统和数据中心等。其高能量密度和长寿命的特点，使得锂空气电池在提供稳定电力供应方面具有显著优势，有助于解决可再生能源的间歇性问题，提高能源利用效率。在航空航天领域，锂空气电池的重量轻、能量密度高的特点使其具有潜在的应用价值。未来，随着技术的进一步成熟，锂空气电池有望为航空航天器提供更持久、更可靠的能源支持。锂空气电池的市场前景还取决于其成本、安全性、寿命等多个因素。目前，锂空气电池仍处于研究和开发阶段，离商业化应用还有一定的距离。但随着科学技术的不断进步和研发投入的增加，我们有理由相信，锂空气电池将在不久的将来实现突破性的进展，并在多个领域展现出广阔的应用前景。七、锂空气电池研究的挑战与展望锂空气电池作为一种理论能量密度极高的储能技术，自其概念提出以来，就受到了广泛关注。尽管在过去的几十年中取得了一些令人瞩目的进展，但要实现其商业化应用，仍面临着众多挑战。技术挑战：目前，锂空气电池在充放电过程中的化学反应机制尚未完全明确，这限制了其性能的优化和提升。电池中的氧气电极材料在充放电过程中容易发生结构变化，导致电池循环稳定性差。同时，电池中的电解质材料也面临着在充放电过程中易被氧化或还原的问题，这限制了电池的能量效率和循环寿命。安全挑战：锂空气电池在工作过程中涉及到氧气的参与，这增加了电池的安全风险。一旦电池内部发生短路或燃爆，可能引发严重的安全问题。如何确保锂空气电池的安全性，是制约其商业化应用的关键因素之一。展望：尽管锂空气电池面临着诸多挑战，但随着科学技术的不断进步，这些问题有望得到解决。未来，研究者们可能会从以下几个方面入手，推动锂空气电池的发展：深入研究反应机制：通过先进的表征技术和计算方法，深入研究锂空气电池在充放电过程中的化学反应机制，为优化电池性能提供理论指导。开发新型电极和电解质材料：针对现有材料的不足，开发具有高稳定性、高效率和长寿命的新型电极和电解质材料，提升锂空气电池的综合性能。强化安全设计：通过改进电池结构、优化电池管理系统等方式，提高锂空气电池的安全性，降低其在实际应用中的风险。锂空气电池作为一种极具潜力的储能技术，虽然目前仍面临着技术和安全方面的挑战，但随着科研工作的深入和技术创新的发展，这些挑战有望得到解决。未来，锂空气电池有望在电动汽车、可穿戴设备等领域发挥重要作用，为人类的可持续发展做出贡献。八、结论锂空气电池作为一种具有高能量密度的能源存储技术，近年来受到了广泛的关注和研究。本文综述了锂空气电池的研究进展，包括其工作原理、分类、性能评估以及当前面临的主要挑战。通过对相关文献的梳理和分析，我们发现锂空气电池在材料科学、电解质设计、电池结构和反应机理等方面取得了显著的进步。锂空气电池仍面临一些亟待解决的问题，如循环稳定性差、能量效率低、安全性不足等。这些问题限制了锂空气电池的商业化进程和应用范围。未来研究应重点关注如何提高锂空气电池的循环稳定性，减少充放电过程中的副反应，提升能量效率和安全性。锂空气电池在实际应用中还需要考虑其成本、寿命和环保性等因素。未来的研究应综合考虑材料选择、电池设计、生产工艺和回收利用等方面，以实现锂空气电池的可持续发展。锂空气电池作为一种具有潜力的能源存储技术，在能源领域具有广阔的应用前景。通过不断的研究和创新，我们有望克服当前的技术难题，推动锂空气电池在电动汽车、可穿戴设备等领域的应用，为未来的可持续发展做出贡献。参考资料：锂空气电池是一种极具前景的新型能源存储系统，它通过结合金属锂的极高能量密度与空气中的氧来产生电能。这篇文章将探讨锂空气电池的研究现状、基本工作原理、优点、挑战以及未来的研究方向。锂空气电池的基本工作原理是，在电池的负极上，锂离子被氧化成锂原子，而在正极上，氧被还原成氢氧根离子。在充放电过程中，锂原子和氧原子在两极之间迁移。高能量密度：锂空气电池的能量密度远高于现有的锂电池，有望大幅度提高电动汽车的续航里程。环境友好：锂空气电池中的活性物质氧可以从空气中直接获取，不需要复杂的制备过程，更加环保。可燃性低：由于其工作过程中产生的氢氧根离子浓度较低，锂空气电池的安全性较高，不易燃烧。空气电极的性能衰减：由于在充放电过程中，氧需要在正极上还原成氢氧根离子，这会导致正极材料的性能衰减。锂的沉积问题：在放电过程中，锂原子会在负极上沉积，这可能会影响电池的循环寿命和安全性。电解质的选择：理想的电解质需要同时具有良好的离子导电性和稳定性，这给电解质的设计和选择带来了挑战。高效稳定的空气电极材料的研发：通过改进正极材料和设计高效的氧传输路径，以提高正极的稳定性和性能。优化锂沉积的策略：通过调控负极的结构和组成，改善锂的沉积行为，提高电池的循环寿命。新型电解质的设计与优化：研发新型的电解质材料，以满足锂空气电池对于稳定性和离子导电性的高要求。锂空气电池作为一种具有革命性的能源存储技术，具有非常高的研究价值和广阔的应用前景。尽管目前的研究面临许多挑战，但随着科学技术的不断进步和新材料的开发，我们有理由相信，未来的锂空气电池将会更加高效、安全和环保，为人们的能源生活带来革命性的变革。锂空气电池是一种用锂作负极，以空气中的氧气作为正极反应物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其阴极（以多孔碳为主）很轻，且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。放电过程：负极的锂释放电子后成为锂阳离子（Li+），Li+穿过电解质材料，在正极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂（Li2O）或者过氧化锂（Li2O2），并留在正极。锂空气电池的开路电压为91V。理论上，由于氧气作为正极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能为21kWh/kg（包括氧气质量），或4kWh/kg（不包括氧气）。相对与其他的金属-空气电池，锂空气电池具有更高的比能（见下表），它非常有吸引力。锂空气电池仍在开发中，市场上还买不到。日本产业技术综合研究所发布的锂空气电池的设计构思是，只在金属锂的负极使用有机电解液，正极的空气极使用水性电解液。既可以用作充电电池也可用作燃料电池使用。如果在负极的有机电解液和空气极的水性电解液之间，用只能通过锂离子的固体电解质隔开的话，可防止两电解液发生混合，而且能促进电池发生反应。能够防止正极的固体反应生成物——氧化锂（Li2O）析出。该电池通过放电反应生成的不是固体氧化锂（Li2O），而是易溶于水性电解液的氢氧化锂（LiOH），这样就不会引起空气极的碳孔堵塞。由于水和氮等无法通过固体电解质隔膜，因此不存在和负极的锂金属发生反应的危险。配置了充电专用的正极，可防止充电时空气极发生腐蚀和老化。负极采用金属锂条，负极的电解液采用含有锂盐的有机电解液。中间设有用于隔开正极和负极的锂离子固体电解质。正极的水性电解液使用碱性水溶性凝胶，与由微细化碳和廉价氧化物催化剂形成的正极组合。金属锂以锂离子（Li+）的形式溶于有机电解液，电子供应给导线。溶解的锂离子（Li+）穿过固体电解质移到正极的水性电解液中。通过导线供应电子，空气中的氧气和水在微细化碳表面发生反应后生成氢氧根离子（OH-）。在正极的水性电解液中与锂离子（Li+）结合生成水溶性的氢氧化锂（LiOH）。通过导线供应电子，锂离子（Li+）由正极的水性电解液穿过固体电解质到达负极表面，在负极表面发生反应生成金属锂。使用了此次新开发的碱性水性电解质凝胶的锂空气电池在空气中以1A/g的放电率放电时，放电容量约为9000mAh/g。充电容量也约达到9600mAh/g。与此前报道的原锂空气电池的容量（700～3000mAh/g）相比，放电容量大幅提高。而使用碱性水溶液代替碱性水溶性凝胶后，在空气中以1A/g的放电率放电时，可连续放电20天，放电容量约为50000mAh/g。新的锂空气电池没电时也无需充电，只需更换正极的水性电解液，通过卡盒等方式更换负极的金属锂就可以连续使用。这是一种新型燃料电池，名为“金属锂燃料电池”。理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。如果从用过的水性电解液中回收空气极生成的氢氧化锂（LiOH），很容易重新生成金属锂，可作为燃料进行再利用。锂空气电池这是一种由日本产业技术综合研究所与日本学术振兴会(JSPS)共同开发出的一种新构造的大容量锂空气电池。理论上可实现大容量的“锂空气电池”作为新一代大容量电池而备受瞩目。不过此前的锂空气电池存在正极蓄积固体反应生成物，阻隔了电解液与空气的接触，导致停止放电等问题。负极(金属锂)采用有机电解液，正极(空气)方面则使用水性电解液，两极由固体电解质隔开，以防止两电解液发生混合。由于固体电解质只通过锂离子，因此电池的反应可无阻碍地进行。正极的反应生成物具有水溶性，不产生固体物质。实验证明该电池可连续放电50000mAh/g(空气极的单位质量)。该技术极有望用于汽车电池。如果在汽车用支架上更换正极的水性电解液，用卡盒等方式补充负极的金属锂的话，汽车可实现连续行驶且无需充电等待时间。可以从用过的水性电解液中轻松提取金属锂，锂能够反复使用。可以说是用金属锂作为燃料的新型燃料电池。锂离子电池已经开始在电动汽车上应用，为了实现长距离行驶，作为蓄电池时的高性能化和低成本化备受期待。但锂离子电池受制于电池容量很难实现长距离行驶，要实现长距离行驶必须在汽车上配备大量的电池，因此存在车体价格大幅上升的问题。要实现电动汽车的普及，能源密度需达到约6～7倍。理论上能源密度远远大于锂离子电池的金属锂空气电池备受关注。由于锂空气电池的正极使用空气中的氧做活性物质，理论上正极容量无限大，因此可实现大容量。大容量锂-空气电池并非新概念，都未普及原因是它存在致命缺陷，日本的研究院克服了这个困难，但要想实现商用，可能还需要10年。减碳，对于人类福祉来说，绝对不是离谱的要求，但对于全球汽车业来说，却是一件困难的事情。众所周知，锂离子电池广泛用于手机和笔记本电脑等，也已经是下一代充电式混合动力车和电动车的理想之选。它比其它汽车电池的密度更高、电量更充足，但也更贵，受制于电池容量，充电后的行驶距离仍不够远。即将于2010年上市的雪佛兰Volt混合动力汽车如果仅仅使用电池，只能行驶40公里。尽管仍有改进的空间，但锂离子电池的潜力依然有限。普遍认为，要实现电动汽车的普及，能源密度需达到约6～7倍。于是，理论上能源密度远远大于锂离子电池的金属锂空气电池备受关注。虽然仍使用有机溶媒，但它却以全新的构成极大提高电池的能量密度。锂-空气电池并非新概念。由于在正极上使用空气中的氧作为活性物质，理论上正极的容量密度是无限的，可加大容量。如果负极使用金属锂，理论容量会比锂离子充电电池提高一位数。为什么锂-空气电池未普及？原因是它存在致命缺陷，即固体反应生成物氢氧化锂（LiOH）会在正极堆积，使电解液与空气的接触被阻断，从而导致放电停止。2009年2月，日本产业技术综合研究所能源技术研究部门能源界面技术研究小组组长周豪慎和日本学术振兴会（JSPS）外籍特别研究员王永刚共同开发出了新构造的大容量锂空气电池。他们通过将电解液分成两种来解决上述问题。在负极（金属锂）一侧使用有机电解液，在正极（空气）一侧使用水性电解液。在两种电解液之间设置只有锂离子穿过的固体电解质膜，将两者隔开。这样便可防止电解液混合，并促进电池发生反应。负极用电解液组合使用的是含有锂盐的有机电解液。虽然不能弃用有机溶媒，但却限定了使用方法。正极用水性电解液使用碱性水溶性凝胶，与微细化后的碳和低价氧化物催化剂形成的正极组合。在锂-空气电池中，由于放电反应生成的并非是固体的Li2O，而是容易溶解在水性电解液中的LiOH（氢氧化锂）。氧化锂在空气电极堆积后，不会导致工作停止。水及氮等也不会穿过固体电解质的隔壁，因此不存在与负极的锂金属发生反应的危险。而且，在充电时，如果配置充电专用的正极，还可防止充导电致空气电极的腐蚀和老化。实验证明，以1A/g的放电率进行放电时，放电容量约为9000mAh/g，而以前的锂-空气电池的放电容量仅为700～3000mAh/g，可以说实现了容量的大幅增加。如果使用水溶液取代水溶性凝胶，便可在空气中以1A/g的放电率连续放电20天，其放电容量约为5万mAh/g（空气极的单位质量），比原来高一位数。由于金属锂电池的容量原本就比锂离子电池高一位数，因此该数值共比锂离子充电电池高两位数。由于水溶液的性能较高，而在易用性上凝胶更为出色，科学家们今后需要考虑决定究竟对这两者中的哪一个进行开发。了解到，这种技术还可考虑与单纯的充电电池不同的使用方法。如果不对电池进行充电，而是通过汽车底座更换正极的水性电解液，以卡盒等方式补给负极的金属锂，汽车便可实现无需充电等待时间，立即行驶。而且，通过回收用过的水性电解液，以电气方式重新生成金属锂，还可继续作为电池负极燃料循环使用，避免产生其他污染。锂-空气电池可以说是以金属锂为燃料的新型燃料电池。科学家认为，锂空气电池的性能是锂离子电池的10倍，可以提供与汽油同等的能量。锂空气电池从空气中吸收氧气充电，因此这种电池可以更小、更轻。全球不少实验室都在研究这种技术，但如果没有重大突破，要想实现商用可能还需要10年。使能量密度达到现有任何电池的三倍，研究显示金属催化物在提高电池效率上起到重要作用。该校机械工程和材料科学与工程副教授YangShao-Horn表示，许多研究团队如今正致力于锂-空气电池的研究，但还缺乏对何种电极材料能够促进电池内部电化学反应发生的理解。Shao-Horn和其团队成员在4月1日出版的《电化学与固态快报》上报道了其研究成果，在锂-空气电池中使用金或铂金电极作为催化剂具有比单一碳电极高得多的反应活性和效率。这项研究也为进一步研究寻找更佳的电极材料，如金和铂金或其他金属的合金材料或金属氧化物材料以及减少使用昂贵材料奠定基础。论文的第一作者、博士生Yi-ChunLu指出，研究团队开发了一种分析电池中不同催化剂活性的方法，可以基于这项研究来试验多种可能的材料，以确定控制催化剂活性的物理特性，最终能够预测催化剂的反应活动。锂-空气电池原理与锂离子电池类似，而后者是便携式电子产品使用的主要电源，而且在电动汽车电源的竞争中也占据了领先地位。但由于锂-空气电池使用了碳基空气电极和空气流替代锂离子电池较重的传统部件，因此电池质量更轻，这也使得包括IBM和通用汽车等大企业纷纷投身于锂-空气电池技术的开发当中。但锂-空气电池在成为可商用化产品之前还有一系列的问题需要解决，其中最大的问题是如何确保在经过了许多次的充放电过程后仍能保持其电力水平，可用在电动汽车或电子产品中。研究人员还需要详细研究充放电过程的化学问题，如产生了那些化合物，在哪里产生，以及它们之间如何相互反应等。Shao-Horn坦承，这方面的研究还处于初级阶段，部分企业将锂-空气电池研究视之为10年期的研发项目，但这是一个非常有前景的领域，如果能够克服许多科学和工程挑战，真正实现能量密度达到锂离子电池的两到三倍，将能够首先应用在便携式电子产品如笔记本电脑和手机上，降低成本后更可作为电动汽车电源。该项研究受到美国能源部的资助，MartinFamilySocietyofFellowsforSustainability和美国国家科学基金会也给予了支持。根据《日刊工业新闻》报道，日本旭化成株式会社和Central硝子株式会社两家企业正式参加美国IBMAlmadenReseachCenter正在进行的锂空气电池研究项目。按照该项目研究分工，旭化成将利用其掌握的先进膜技术，负责开发重要的有关膜部件；Central硝子负责开发新型电解液和高性能添加剂。研究小组计划到2020年实现锂空气电池的大量生产和推广应用。在国家自然科学基金委、科技部和中科院等的大力支持下，中国科学院长春应化所张新波研究员带领的科研团队通过抑制锂—空气电池电解液分解，调控空气电极固—液—气三相界面以及优化锂—空二次电池体系与结构，成功将锂—空气电池循环寿命从文献报道的最长100次大幅提高至500次。针对锂—空气电池用电解液在电池反应中均有不同程度的分解，造成不可逆产物的生成和自身的消耗，严重限制电池循环寿命的难题，该团队基于对现有电解液分解机理的认识，首次将亚砜(DMSO)和砜(TMS)应用于锂—空气二次电池中，有效促进了可逆放电产物过氧化锂（Li2O2）的生成，减少了副反应；通过详细考察空气电极对锂—空气电池性能的影响，发现空气电极催化剂催化效率低、用于过氧化锂等不溶放电产物存储和反应物传输的孔道结构不合理、导电性差是制约锂—空电池性能的关键因素。基于此，该团队首次提出了石墨烯一体化空气电极的概念，成功地在泡沫镍基体中构筑了三维多孔石墨烯。泡沫镍所具有的高导电性，结合多孔石墨烯合适的孔道结构，使得所制备的锂—空气电池表现出优异的倍率性能；通过借助和发挥稀土钙钛石型复合氧化物优异的电催化性能，有效降低了锂—空气电池充/放电过电位，进一步提高了能量转化效率和倍率性能。在以上研究成果的基础上，还首次设计和开发出可实用化、拥有自主知识产权的锂—空气二次电池电池组。剑桥大学研究人员开发出了锂—空气电池的实验室模型，解决了与相似的化学电池有关的数个问题。他们开发的锂-空气电池能量密度高，充电次数“超过2000次”，能源使用效率理论上超过90%。2022年1月，日本国家材料科学研究所（NationalInstituteforMaterialsScience）和软银集团（Softbank）的研究人员开发了一种可充电的锂空气电池，并声称其能量密度大大超过了传统的锂离子电池。随着科技的快速发展，锂离子电池已经成为现代社会中不可或缺的能源存储设备。传统的锂离子电池存在着一些基础科学问题，例如能量密度低、充电速度慢、使用寿命有限等。为了解决这些问题，科学家们正在积极探索新型电池体系，其中最具前景的就是锂空气电池和锂硫电池。锂空气电池是一种通过金属锂与空气中的氧气进行反应来产生电能和化学能的电池。与其他电池相比，锂空气电池具有高能量密度、快速充电、低成本等优点。锂空气电池在实际应用中仍存在一些挑战，如如何提高电池的稳定性和寿命，如何降低成本等。锂硫电池是一种通过金属