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周震/魏英進(jìn)/彭章泉NSR綜述: 用于高性能鋰氧電池的氧化還原介質(zhì)

非質(zhì)子鋰氧（Li-O₂）電池憑借其超高的理論比能量而受到廣泛關(guān)注，然而該電池卻存在嚴(yán)重的障礙，如反應(yīng)動力學(xué)緩慢和不希望的寄生反應(yīng)等。目前，已探索了分子催化劑（氧化還原介質(zhì)，RMs）來催化Li-O₂電池中的氧電化學(xué)，但為了充分發(fā)揮Li-O₂電池的性能，有必要深入了解RM的催化機制。

在此，鄭州大學(xué)周震教授、吉林大學(xué)魏英進(jìn)教授及中科院大連化物所彭章泉研究員等人系統(tǒng)而全面地總結(jié)了最近更新的RM（有機、有機金屬和無機化合物）在 Li-O₂電池中的開發(fā)和應(yīng)用。具體來說，作者首先介紹了RM的基本工作、設(shè)計原理及與RM相關(guān)的最新發(fā)展；然后重點介紹RM在Li-O₂電池中的應(yīng)用所遇到的挑戰(zhàn)；最后，作者總結(jié)了對在 Li-O₂電池中制備有效RM的剩余問題和未來研究機會的看法，將從以下五個方面進(jìn)行展望：

1）了解Li₂O₂與RMs的氧化動力學(xué)；

2）調(diào)控RMs的分子結(jié)構(gòu)；

3）優(yōu)化RMs輔助Li-O₂電池的組件；

4）分析RMs的催化效率；

5）探索尋找新型RMs的指導(dǎo)方針。

圖1. FePc在Li-O₂電池中的OER催化機理及性能

客觀地說，使用RM是解決Li-O₂電池反應(yīng)動力學(xué)遲緩的最有希望的方法，但仍需要更先進(jìn)的實驗、計算和應(yīng)用研究來推進(jìn)RM輔助Li-O₂電池的實際開發(fā)。作者認(rèn)為，未來對實用Li-O₂電池的研究應(yīng)主要集中在以下三個方面：

（1）探究Li-O₂電化學(xué)的基本機制。將理論建模、電化學(xué)測量與光譜方法和在線技術(shù)相結(jié)合，可以識別Li-O₂電池中可能發(fā)生的電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)；

（2）進(jìn)一步優(yōu)化電池組件。未來應(yīng)考慮將RMs錨定在電極表面或?qū)Ms引入電池組外的工作氣體中，這樣可以在保持RMs催化功能的同時克服溶解特性的限制；

（3）探索真正意義上的鋰空氣電池。設(shè)計O₂選擇性膜是確保電池在恒定O₂氣氛下工作的可行策略，從而間接實現(xiàn)Li-O₂電池在環(huán)境條件下的運行。

此外，應(yīng)進(jìn)一步研究空氣中其他氣體對電池性能的影響，以最終實現(xiàn)真正的鋰空氣電池。

圖2. 抑制RM氧化還原穿梭的策略

Redox Mediators for High-Performance Lithium-Oxygen Batteries, National Science Review 2022. DOI: 10.1093/nsr/nwac040

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