《Next Energy》：Advancements and challenges in lithium–oxygen battery technology: A comprehensive overview
锂-氧（Li–O?）电池是超越锂离子体系的有吸引力的候选技术，因为氧气存储在正极之外，且形成Li?O?的反应在从承载质量中排除氧气时，可提供约3500 Wh kg?1的理论比能量。本综述批判性地审视了氧还原/析出机制、正极结构、电解质、催化剂、氧化还原介体、锂金属负极保护以及放电产物调控。特别关注Li?CO?抑制、Li?O?/LiOH路径选择、形貌控制沉积，以及利用光、超声、压电效应、磁致伸缩和磁加热的外部场辅助概念。催化剂类别根据活性、耐久性、成本和产物选择性进行比较，而非单一容量指标。还纳入了2020–2025年间报道的最新柔性和固态界面设计。分析表明，Li–O?化学的巨大理论优势在电池层面被氧气管理硬件、电解质和保护层质量、有限的面积容量、寄生化学反应以及再充电过电位大幅削弱。因此，实际进展需要对氧正极、电解质、放电产物和锂金属界面进行协同控制。综述最后提出了可通过实验检验的优先事项，包括降低充电电压、抑制碳酸盐和单线态氧化学、稳定锂金属，以及报告现实的全电池指标。
1. 引言
可持续能源系统需要能够补充间歇性太阳能和风能发电的储能技术。可充电锂离子电池（LIBs）主导便携式电子设备和电动汽车，但其嵌入电极限制了比能量的进一步提升。金属-空气化学通过使用气态氧减少了携带的正极质量。Li–air指在环境空气或过滤空气中运行的电池，其中O?伴随H?O和CO?等大气组分；Li–O?指在纯氧条件下运行的电池。核心吸引力在于2Li + O? ? Li?O?反应，仅计入消耗的锂时理论比能量为3500 Wh kg?1，计入Li和O?总质量时理论比容量约为1168 Ah kg?1。这些仅是活性材料值，而非可实现的电池组值。实际系统还需携带电解质、多孔正极、隔膜、过量锂、集流体、外壳、氧气纯化/储存及压力控制硬件。绝缘的Li?O?限制了面积容量并提高了充电电压；电解质分解、单线态氧、Li?CO?形成、氧气跨界和锂枝晶进一步降低了能量效率和循环寿命。因此，实验Li–O?电池的电池级实际值仍远低于理论值，尽管该化学体系相对于现有LIB仍具有潜在重要优势。
2. Li–O?电池的类型
Li–O?电池根据电解质类型可分为液态（水性）、非水性、混合或杂化以及固态电极体系。其中，非水电解质Li–O?电池结构更简单，与Li–air电池相似，但正极接触的是O?或空气。早期研究主要集中于正极和非水电解质，锂箔曾用作负极，但因安全问题被替代。放电时正极充当氧还原反应（ORR）催化剂，充电时充当氧析出反应（OER）催化剂。正极需要足够大的面积以支持ORR和OER活性位点，并保留大孔容以存储Li?O?。电池性能主要由非水电解质、正极、O?分压、CO?和湿度等因素决定。四种类型包括：非质子Li–O?电池（使用非水有机电解质，理论能量密度高，但Li?O?积累会堵塞孔道）、水性Li–O?电池（使用水基电解质，放电产物为LiOH，更安全且寿命更长，但需保护锂负极）、混合Li–O?电池（结合非质子与水性体系，能量密度和安全性较好，但界面管理复杂）、固态Li–O?电池（使用固体电解质，安全性和热稳定性改善，但离子电导率和界面效率较低）。
3. Li–O?电池的驱动机制
Li–O?电池运行依赖于电化学机制，核心反应为ORR和OER。放电时，氧气在正极被还原，与非质子体系中的锂离子结合形成Li?O?，在水性体系中形成LiOH。非质子体系反应为2Li + O? ? Li?O?；水性体系为4Li + 2H?O + O? ? 4LiOH。充电时发生逆反应，但过程复杂，Li?O?分解可能不完全并生成Li?CO?等副产物，尤其在水分或CO?存在时。能量效率受制于过电位和副反应。光辅助可在半导体正极中产生载流子并降低ORR/OER所需的电能，但需计入光源的净能量效率。超声和力致压电电势可改善氧气传输、暴露新鲜界面、改变Li?O?成核并加速电荷转移。CoFe?O?/BiFeO?正极中的磁/力耦合结合了磁致伸缩和压电催化，MoS?/Pd利用应力诱导能带弯曲促进两种反应。磁加热概念可在催化剂处局部热激活并减轻整体电池加热。这些外部场方法提供了可逆、按需控制的手段，可降低充电极化而不持续增加催化剂负载，并能调节产物形貌或质量传输。但其局限性包括辅助换能器和场源增加质量与能量需求、超声加速机械或界面退化、局部加热加剧电解质分解，以及实验室光照或磁场几何可能无法均匀放大。未来报告应披露场强度、占空比、辅助功率、温升和全系统往返效率，并在匹配电流和容量下比较场开/关对照。
4. Li–O?电池性能的关键方面
4.1 能量密度
Li–O?电池常引用的理论比能量约3500 Wh kg?1，排除了氧气质量并假设平衡电压下完全可逆的Li?O?形成。计入氧气后，反应物对的理论比容量约为1168 Ah kg?1；再加入电解质、正极孔隙体积、过量锂、隔膜、集流体、外壳、气体处理和保护组件后，数值进一步降低。以每克碳或催化剂表示的正极比容量可能夸大器件性能。有意义的比较应报告面积容量（mAh cm?2）、电解质与容量比、锂过量、氧气来源/纯度、放电/充电能量效率以及全电池比能量。图4区分了理论值和代表性电池级性能，表明Li–O?化学的主要优势依赖于贫电解质、高Li?O?负载、低极化和轻量化氧气管理。
4.2 正极改性
一种改进Li–O?电池性能的策略是设计由ZnO纳米颗粒沉积在垂直排列碳纳米管（VACNTs）上的新正极。该电极控制了放电产物的尺寸和形貌，从而降低充电电位并提高可逆性。VACNT表面提供电化学氧还原和Li?O?形成的活性位点。透射电镜和第一性原理计算表明，ZnO-VACNT界面处形成的Li?O?化合物通过纳米尺寸稳定化，利用ZnO半导体特性，减少电荷转移过电位并延长循环寿命。有报道称，使用非质子电解质的Li–O?电池可实现远程电动汽车和电网储能所需的高能量密度，但存在性能退化和过电位问题。为此，合成了MoO?/CNT复合材料，其中MoO?层保护CNTs免受副反应并促进氧还原催化活性，从而降低过电位并提高循环稳定性，实现超过210次循环，充电过电位为0.52 V。
4.3 安全改进
虽然Li–O?电池通常被认为比某些锂离子电池更安全，但在特定条件下仍可能发生热失控。安全问题推动了改进电解质配方、稳定固体电解质以减少短路风险以及缓解热失控的保护系统的发展。双功能催化剂对ORR和OER至关重要，能够实现Li?O?的可逆形成和分解，提高往返效率和循环寿命。具有介孔通道的核壳结构有利于Li?和O?传输并容纳不溶性放电产物Li?O?。
4.4 电池热管理与安全
电池热管理系统评估温度对电池效率和安全性的影响。研究涉及空气冷却、液体冷却和混合方法。空气冷却相对便宜，但在高负荷下无法达到目标温度，导致功率密集型应用过热。液体冷却比空气冷却具有更高的散热能力，通过相变潜热维持温度稳定性，但基础设施更复杂，存在泄漏风险，且热导率低、达到热平衡时间长。混合系统试图结合空气和液体冷却以在峰值需求期间实现更好冷却。这些方法在Li–O?电池中面临热产生和副产物热失控的适应挑战。计算流体动力学和有限元分析等热建模技术可预测不同操作条件下的热流，有助于热管理系统开发。
4.5 再充电和快速充电
对锂离子电池快速充电的需求促进了新电极设计和电池结构研究，以在不影响性能或寿命的情况下提高充电倍率。NiCo?S?包覆硫掺杂碳多孔结构作为Li–O?电池双功能催化剂，提供了更大表面积，促进形成更小的Li?O?放电产物，改善反应动力学和传输。该结构在1704小时内显示出14173 mAh g?1的高放电容量。Matsuda等人研究了可充电非质子Li–O?电池的循环性能和电极退化问题，利用自动化高通量实验和机器学习优化电解质组成，显著改善了放电/充电性能并稳定超过100次循环。Naik讨论了金属-空气电池，报告了Li–O?电池的理论比能量高于传统锂离子电池。研究者合成了低成本NiFe?O?电催化剂，提高了Li–O?电池的性能和循环稳定性。
4.6 循环寿命和耐久性
储能研究的主要重点是提高Li–O?电池的循环寿命和总体寿命。主要限制包括电极退化、电解质不稳定和循环过程中副产物的形成。需要采用替代策略，如特定电极材料、稳定电解质配方和优化电池结构，以延长循环次数而不严重损失容量。锂金属负极稳定性是系统级限制而非次要问题。氧气和氧化还原介体可能穿过隔膜腐蚀锂；反复剥离/沉积产生脆弱的固态电解质界面（SEI）、苔藓状锂、电隔离的“死锂”、枝晶、电解质消耗和内部短路风险。Guo等人将锂嵌入多孔碳纳米管主体中，以降低局部电流密度并适应体积变化。补充方法包括人工富LiF或陶瓷/聚合物中间相、三维亲锂主体、高迁移数或局部高浓度电解质、阻止O?/介体串扰的隔膜涂层以及固态电解质。成功的保护层必须同时抵抗化学攻击、保持低界面阻抗、在循环中保持机械完整性并防止枝晶穿透。
此外，Lv等人通过凝胶燃烧合成了铜/钴掺杂钙钛矿氧化物LaMn?.?M?.?O?（M=Cu或Co）。所得材料在碱性条件下对ORR表现出改善的催化性能。其中LaMn?.?Co?.?O?显示出良好的稳定性和高放电容量，适合作为正极催化剂。Zhang等人表明，若能解决低能量效率和短循环寿命问题，Li–O?电池可能成为高效储能系统。Mn-MOF-74–CNT复合材料提供可接近的Mn中心和导电骨架，通过与LiOH为主的化学过程促进放电稳定性。
5. 环境和生命周期考虑
Li–O?电池的环境优势不能仅从理论比能量推断。潜在好处包括减少过渡金属富集正极活性材料的使用，以及若实现长循环寿命，每千瓦时交付能量的材料需求降低。潜在负担包括锂生产、含氟盐和溶剂、高能耗干房加工、氧气纯化或储存、过量电解质和锂、短使用寿命，以及被Li?CO?和退化有机物污染的多孔正极难以回收。比较性生命周期评估应使用基于服务寿命期间交付能量的功能单元，并报告电池寿命、往返效率、氧气管理能量、更换率和回收率。因此，温室气体影响更低的说法仍取决于持久循环、精益设计、安全电解质回收和闭环锂回收。
6. Li–O?电池的新兴混合和先进材料策略
近年研究日益探索改进材料和混合电化学架构，以克服电压滞后、能量效率、界面不稳定性和循环性能等持续限制。二维（2D）材料因其高比表面积、可调电子性质和结构多样性备受关注，可集成到电极、保护中间层和电解质界面以改善电荷传输、稳定活性锂表面并调节界面反应。混合电池架构提供了解决传统Li–O?系统固有局限性的新兴策略。Wang等人提出了一种基于氧-卤-硫电化学的Li-ion/Li–O?混合电池。放电过程中涉及Li?MoO?S?的形成，同时含碘中间体参与电化学反应路径。X射线衍射和核磁共振等结构和光谱研究表明，反应机制和独特的含Li?MoO?S?化学有助于降低极化和提高能量效率。这些研究将Li–O?电池开发扩展到传统正极和电解质优化之外，低维材料与混合反应化学的结合可能有助于控制界面反应、减少能量损失并提高可逆性，但其长期化学稳定性、反应可逆性、混合组分兼容性和可扩展性仍需进一步研究。
7. 高性能Li–O?电池的当前挑战
7.1 电极退化
电极退化是Li–O?电池的主要限制，尤其在追求高能量密度的非质子体系中。主要放电产物Li?O?沉积在正极上，可能堵塞孔道，降低容量和循环寿命。充电时Li?O?分解不彻底以及绝缘副产物积累会增加过电位并逐步降低电极性能。在水性体系中，LiOH沉淀也会阻碍离子传输和反应动力学。此外，锂金属负极需要保护层（如稳定的SEI）以防止活性物种侵蚀。
7.2 电解质不稳定性和催化剂
有机电解质可能与超氧化物和单线态氧反应，产生Li?CO?等不良副产物，其积累增加极化并退化电解质和电极，降低效率与安全性。混合Li–O?电池因不同电解质需在界面保持高离子电导率和化学稳定性而引入额外挑战。有研究探索了相转移催化剂的改善作用，如锂邻苯二甲酰亚胺-N-氧基（LiPINO），报告放电容量达11400 mAh g?1，充电电位约3.14 V，超过200次循环。
7.3 寄生反应和Li?CO?抑制
Li?CO?来源于CO?进入、含碳酸盐或不稳定有机电解质的分解，以及活性氧对碳正极和粘结剂的攻击。Li?CO?是电子绝缘体且难以氧化，高压去除可能产生单线态氧并加剧电解质损伤。因此应优先预防：使用纯化干燥的O?或有效的CO?/H?O洗涤器；选择耐超氧化物和单线态氧的醚类、离子液体或固体电解质；避免碳酸盐溶剂；使用耐腐蚀正极和稳定粘结剂；通过适当选择的氧化还原介体降低充电电位；并在相容性得到证明时加入单线态氧淬灭剂。保护性中间相和密封气体通路可减少污染物串扰。催化剂驱动的高压碳酸盐氧化是补救策略，而非替代预防措施。
7.4 放电产物化学
Li?O?是传统非质子电池的目标产物，因为它支持预期的双电子氧反应，但Li?O?不溶且绝缘。LiOH在耐水或有意添加质子给体的体系中可能有利，因为特定催化剂/介体可实现低极化形成和分解及不同沉积结构。但LiOH并非普遍优越：其化学消耗质子给体，可能腐蚀电池组件，若无合适介体/催化剂难以逆转，且与裸露锂的相容性差。产物选择应通过溶剂给体/受体性质、可控水活度、盐、催化剂和介体进行工程化，并用定量气体分析验证电子/O?比和可逆性。
7.5 形貌调控
薄膜状Li?O?提供紧密电子接触但在小厚度下钝化正极；大环状或溶液生长颗粒增加容量但可能电子失联且难以氧化。分级大孔保留O?传输和存储体积，介孔提供成核位点，表面化学、电流密度、溶剂给体数、水含量、氧化还原介体和外部场控制成核与生长。最优形貌不是最大颗粒，而是空间均匀、多孔、电子可及的沉积物，能在低电压下完全去除。形貌声称应与面积容量、孔填充、阻抗、气体析出和充电后残余产物分析相关联。
7.6 有限循环性
Li–O?电池循环性受反应产物积累、电极退化和电解质不稳定限制。在非质子电池中，Li?O?的不完全形成和分解会增加内阻、降低能量效率并促进热产生。活性氧也会分解电解质和损伤电极。在水性体系中，LiOH沉淀可能在反复循环中降低离子电导率。改善循环寿命需要稳定电解质、有效催化剂和能耐受反复放电产物形成/去除而无严重结构退化的电极结构。
7.7 氧气传输
Li–O?电池的最佳运行取决于氧气在系统中的传输能力。正极需要氧气到达其表面以进行ORR和Li?O?形成反应。放电产物作为固体积累会物理阻塞正极材料的孔道，阻碍氧气移动并妨碍离子传输和反应过程，导致性能、容量和电池寿命下降。
8. Li–O?电池中的正极孔隙工程
确保每次充电循环中沉淀的Li?O?分解是关键挑战，因此需要适当的正极工程。正极应结合高电子电导率、大表面积和开放孔隙，以容纳Li?O?同时保持O?和Li?传输。放电电流密度由可及表面积决定，直接影响ORR机制。较薄的沉积物具有较高电流密度，因此需要平衡内表面积和孔径。最关键但常被忽视的方面是，放电期间Li?O?必须占据正极体积的重要部分，至少填充一半体积而不损害性能，才能满足锂空气电池的雄心目标。然而许多研究忽略了该要求，并常以正极材料质量评估容量。早期工作常未充分考虑非活性组分的质量和体积（如电解液、积累的Li?O?质量、粘结剂体积）。少数研究者已基于非活性组分的质量、体积和孔隙报告性能。
8.1 碳材料作为正极材料
锂-氧电池主要由锂负极、隔膜、电解质和多孔支撑材料正极组成。支撑材料应集成高导电性，其含义主要是容纳Li?O?（ORR）而非防止其分解（OER）。电池性能（容量、循环保持率、能量效率）由支撑材料的形貌、润湿性、电子电导率决定。多孔结构有时脆弱且导电性不足，因此挑战在于简便合成兼具导电性和高机械稳定性的多孔支撑材料。碳正极因其优异导电性、轻质、廉价和结构可调性被广泛使用。碳纸作为一维多孔纳米结构材料可用于开发正极。早期研究常用Super P、Vulcan XC 72R和Ketjen Black等炭黑，其比容量可超过2000 mAh g?1。碳材料主要包括石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维等，显示出高放电容量但OER活性有限，能量效率低。碳基材料在高于3.5 V电位下不稳定，易与LiO?反应生成Li?CO?副产物，影响循环稳定性。Jung等人通过静电纺丝聚丙烯腈（PAN）纳米纤维并热解制备高导电碳纳米纤维（CNF）网，具有足够的大孔（3–5 μm）促进Li?O?形成和分解，但小孔易被局部生成的Li?O?堵塞导致快速退化。垂直排列的碳纳米管（CNT）具有均匀孔径分布和大活性面积，增强氧气和电解质渗透，稳定性优于无纺CNF。Jung等人还用化学气相沉积（CVD）制备无粘结剂的垂直排列CNT，兼具隔膜和气体扩散层功能，加速Li离子、O?和电子传输。Yin等人通过牺牲模板（如青蛙卵）在碳纤维内制造介孔和大孔，提高比表面积。Kim等人开发了含CNT的自支撑三维双峰多孔膜。Zhu等人制备了木材衍生的多孔微碳纤维。氮掺杂钴@石墨烯多胶囊异质结构表现出优异OER活性。石墨烯基碳材料容量可达约10000 mAh g?1，但长期稳定性存在问题。
8.2 贵金属/金属基正极
贵金属因其部分填充的反键轨道能优化中间态吸附，改善整体循环性能。支撑材料提供Li?O?积累的活性位点但不足以促其分解，因此需要有效的OER和ORR催化剂。早期研究考察了多孔金（Au）作为贵金属催化剂，不锈钢与Au网组合可实现95%容量保持，但成本高。CA-Wood/Ru复合材料的架构包括多孔木材衍生框架和Ru纳米颗粒分布，通过碳化工艺和垂直通道（大孔/微孔）促进O?扩散和容纳Li?O?，Ru NPs沿厚约3.4 mm的CA-wood壁分布，改善OER/ORR催化，在0.1 mA cm?2下实现0.6 mAh cm?2的高可逆容量并持续100次循环。金属基电极如多孔镍泡沫及其网也被用作支撑材料，通常涂覆Ketjen Black和PVA或PVDF粘结剂以增强OER/ORR活性。镍泡沫比碳支撑材料重，但电子电导率更高。
8.3 过渡金属氧化物作为高效正极材料
低成本氧化物如Fe?O?、Co?O?、CeO?和MnO?可改善ORR/OER动力学，氧空位和暴露晶面调节Li–O?/Li?O?中间体的吸附。钴基尖晶石常提供双功能活性和耐久性的平衡，但钴成本和电解质相容性需关注。贵金属（尤其含Ru催化剂）通常显示出低OER极化，但价格昂贵且可能加速电解质氧化。杂原子掺杂碳轻且导电，但在高充电电位下易发生碳腐蚀。单原子和双金属M–N–C催化剂最大化金属利用率并提供可调位点，而介体辅助多孔电极在固体产物可及性限制充电时可优于固定催化剂。因此，没有普遍“最有效”的催化剂。对于低充电电压，Ru基或精心设计的氧化还原介体系是有力的参考案例；对于成本-性能平衡，缺陷工程化Co/Mn/Fe氧化物和双金属M–N–C材料更现实。排序必须使用匹配的电解质、电流密度、容量限制、面积负载和气体分析条件，以及稳定性和副产物选择性，而非仅正极比容量。该研究探索了热解双金属有机配位聚合物（PC@BMOCPs），产生嵌入棒状氮掺杂碳中的Co基和Fe基纳米颗粒（Co/Fe@NC）。在Li–O?电池中，Co/Fe@NC氧电极显示改善的性能，容量达17326 mAh g?1，超过250次循环，可逆性优异。
9. 氧化还原介体
电解质在充放电过程中的分解是Li–O?电池的主要限制。缓解方法包括正极结构优化、稳定电解质、组成控制和催化剂选择。可溶性氧化还原介体（RMs）可促进充电时Li?O?氧化。RM在电极上被氧化，随后与Li?O?反应，从而降低充电过电位。由于Li?O?是电子绝缘体且难以直接氧化，溶液相RM能比固定固体催化剂更有效地接触Li?O?沉积物。介体应根据其氧化还原电位、化学稳定性和与电池组分的相容性进行选择。RM被认为是Li–O?电池中最可溶、可移动的催化剂，能在液态电解质中移动，扩散至Li?O?位置，通过最大化催化剂活性加速OER机制。不同类型RM包括碘化锂（LiI）、TEMPO（四甲基哌啶氮氧化物）、TTF（四硫富瓦烯），利用其独特的氧化电位进行氧化还原反应。在空气正极存在下，RM进行OER的一般反应为：2RM → 2RM? + 2e?；Li?O? + 2RM? → 2Li? + O? + 2RM。根据公式，两个RM分子氧化为两个RM离子并释放两个电子，RM呈现出高氧化态并充当氧化实体。2RM?氧化Li?O?生成O?气体，OER充电电位几乎等于RM的氧化还原电位。将RM与多孔材料结合可最大化其催化效率。例如，对比Ketjen Black（KB）和垂直排列CNT电极，两者均降低充电电位，但机制不同。KB正极中放电产物不规则形成，堵塞小孔或被埋在碳颗粒内，限制RM渗入闭合孔隙，阻碍接触和反应，导致电荷传输受限、充电过电位升高。而垂直排列CNT电极具有大量空腔，便于RM扩散，RM能有效降低充电电位，改善电化学性能。
10. Li–O?电池技术比较研究
表1比较了代表性Li–O?电池研究在正极材料、充电过电位、循环性能、比容量和关键电化学结果方面的差异。近期正极设计降低了充放电过电位并改善了循环性能。Fan等人开发的ZnO/VACNT正极抑制循环过程中LiO?歧化。Cao等人开发的MoO?/CNT正极实现可逆Li?O?形成，充电过电位约0.52 V。Li等人研究的Co/Fe@NC双功能催化剂对ORR和OER均具优异催化活性，有助于实现低过电位反应。Hyun等人强调NiCo?S?/硫掺杂碳催化剂增加比表面积和活性位点，从而降低过电位。Guo等人研究具有定制SEI层的CNT复合负极，可能降低循环过电位，但需谨慎评估长期稳定性。Lv等人报道的LaMn?.?Co?.?O?通常实现较优ORR/OER催化性能、更低过电位和延长循环稳定性。总体而言，这些研究强调特定正极材料在实现更高效率和稳定性方面的核心作用。
10.1 近期柔性和固态界面进展
近期工作从优化孤立材料转向集成正极、电解质和界面。Wu等人使用PAN衍生膜和自支撑正极，并带有PDDA功能化自适应界面；该固态电池提供8600 mAh g?1和191次循环，同时产生更均匀的环状沉积物。Li等人定制紫外交联高弹性聚合物电解质，以在锂沉积/剥离和正极体积变化期间保持接触，直接解决固态Li–O?电池的机械不稳定性。Minghui Li等人使用有机-无机桥接结构减少界面不连续性并改善离子传输和安全性。这些研究表明，机械柔顺性、化学钝化和低阻抗必须协同设计；高体相离子电导率本身并不能保证持久的固态电池。
11. 未来展望
Li–O?电池技术的未来发展可能提高能量密度、安全性和循环寿命。很可能进一步促进其在电动汽车、便携式电子设备和电网储能中的应用。目前仍需改进比能量密度、循环寿命和安全性。一个重要关注领域是形成既能抵抗退化又能维持高效离子传输的稳定界面。新正极设计包括ZnO/VACNT控制放电产物组成，MoO?/CNT复合材料降低过电位并增强循环稳定性。研究者认为应聚焦于促进放电产物（尤其是Li?O?）完全分解的正极材料和涂层，并提供更高的水性稳定性。克服挑战需要开发稳定电解质和优异界面材料。Co/Fe@NC双功能催化剂可促进充放电反应，加速电池充放电。NiFe?O?催化剂测试也检验整体电池性能。为使Li–O?电池随时间更稳定，必须理解并控制电解质分解等副反应。需要新的电极材料和电解质配方以延长寿命。Li-CNT复合负极与LaMn?.?Co?.?O?正极催化剂等新型电极有望实现更长循环寿命和更高放电容量。正极设计可通过增加孔隙率和比表面积来改善氧气传输，并借助催化剂分解副产物。近期研究还考察了硫掺杂碳上的镍钴硫化物催化剂，以及用于电解质优化的高通量机器人实验和机器学习方法。解决这些挑战需要材料科学、电化学和工程学科的协作。实际应用需要电极材料、电解质配方、电池设计和电化学过程理解的共同进步。石墨烯墨负极和磷酸铁锂正极的未来材料科学和工程研究可能产生能量密度更高、寿命更长的电池。Li-S和Li–O?体系作为Li-ion技术的替代品研究显示，尽管开发和使用中存在重大困难，这些体系可能满足或超过各种车辆（从电动自行车到重型卡车）的性能要求。Li–O?电池的更广泛采用将取决于成本降低、安全性和循环寿命改善，以及合适的制造和回收工艺。硼酚烯和受控多层负极结构等材料仍在被研究以改善电化学性能。如果能解决能量效率、充电倍率、耐久性和安全性方面的实际限制，Li–O?电池可能在交通、便携式电子和可再生能源存储中找到应用。从实验室电池到实际系统的转化还需要可扩展制造、兼容基础设施以及学术、工业和政府组织的协作。
12. 结论
Li–O?电池保留了卓越的活性材料比能量上限，但实际能量密度由全电池质量、氧气管理、贫电解质运行、面积容量和往返效率决定。持久运行需要对四个耦合元素进行协同控制：多孔且化学稳定的氧正极；耐超氧化物和单线态氧的电解质；化学性质和形貌允许完全低电压去除的放电产物；以及具有均匀可逆沉积/剥离的保护性锂金属负极。Li?CO?应通过气体纯化、稳定材料、低充电电压和单线态氧管理来预防，而不是在破坏性电位下反复氧化。LiOH路径和外部场辅助概念为控制反应动力学和产物形成提供了有价值的手段，但其净效益必须包括辅助能量、组件质量和化学相容性。最近的自适应、柔性和固态界面为整合这些要求提供了有前途的途径。商业化的进展应以全电池比能量、面积容量、电解质与容量比、锂过量、气体平衡、能量效率和实际氧气或空气条件下统计上显著的循环寿命来判断。
