综述

媒介体催化在锂-空气电池中的应用与挑战

  • 何璐 ,
  • 王硕 ,
  • 陈宇辉 , *
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  • 南京工业大学化工学院 材料化学工程全国重点实验室 南京 211816

“中国青年化学家”专辑.

陈宇辉, 2009年本科毕业于复旦大学化学系, 2014年博士毕业于英国圣安德鲁斯大学, 随后在牛津大学从事博士后工作, 2017年入职南京工业大学任教授, 研究集中于原位电化学光谱/质谱表征和锂氧电池反应机制. 在原位电化学差分质谱和锂氧电池中媒介体催化电极反应等方面积累了丰富经验, 并取得多项研究成果, 在Nat. Catal.、Nat. Energy、Nat. Mater.、Nat. Chem.及Nat. Commum.等期刊发表论文50余篇. 现兼任Energy Mater.编委、SusMat和Chin. Chem. Lett.青年编委.

收稿日期: 2025-05-19

  网络出版日期: 2025-07-22

基金资助

项目受国家自然科学基金(52173173)

江苏省自然科学基金(BK20220051)

Applications and Challenges of Redox-Mediated Catalysis in Lithium-Air Batteries

  • He Lu ,
  • Wang Shuo ,
  • Chen Yuhui , *
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  • State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering, College of Chemical Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816

For the VSI “Rising Stars in Chemistry”.

Received date: 2025-05-19

  Online published: 2025-07-22

Supported by

National Natural Science Foundation of China(52173173)

Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20220051)

摘要

锂-空气电池是发展先进储能系统中的重要电池体系, 具有极高比能量. 然而, 锂-空气电池在正极侧仍面临着电极动力学缓慢、过电位高和电解液分解副反应等问题. 为克服上述问题, 研究者引入多种催化策略, 其中氧化还原媒介体分子催化剂的出现解决了“固-固”界面接触问题, 可有效地提高锂-空气电池的电化学性能. 聚焦于锂-空气电池的研究现状和关键挑战, 系统阐述了该体系中媒介体催化的作用机制及其应用, 进一步探讨了理想媒介体的设计要点与技术难点, 最后对该领域提出了展望.

本文引用格式

何璐 , 王硕 , 陈宇辉 . 媒介体催化在锂-空气电池中的应用与挑战[J]. 化学学报, 2025 , 83(11) : 1414 -1423 . DOI: 10.6023/A25050180

Abstract

Lithium-air batteries are considered promising candidates for the development of advanced energy storage systems due to their exceptionally high theoretical energy densities. Taking lithium-oxygen batteries as an example, their theoretical specific energy can reach up to 3500 Wh/kg. However, lithium-air batteries, including lithium-oxygen and lithium-carbon dioxide batteries, still face significant challenges on the cathode side, such as sluggish reaction kinetics, high overpotentials, and side reactions caused by electrolyte decomposition. During discharge, gaseous reactants such as O2 or CO2 are reduced at the cathode to form solid discharge products like peroxides, carbonates, or oxalates. These products typically possess poor electronic and ionic conductivity, which can passivate the electrode surface, leading to catalyst deactivation and capacity limitations. In the subsequent charging process, the poor “solid-solid” contact between the catalyst and these insulating discharge products makes them difficult to decompose efficiently, resulting in high overpotentials, low coulombic efficiency, and severe parasitic reactions. To address these issues, researchers have introduced redox mediator (RM) molecular catalysts to convert the “solid-solid” interface into a more efficient “solid-liquid-solid” interface. RMs transfer electrons between the electrode and the discharge products in solution phase, enabling their oxidation and fully decomposition, thereby improving the poor contact of “solid-solid” interface and significantly improving the electrochemical performance of lithium-air batteries. This review briefly introduces the current status and key challenges in lithium-air battery research and, using lithium-oxygen batteries as a representative system, systematically discusses the catalytic roles, mechanisms, and advantages and disadvantages of redox mediators during both discharge and charge processes. Furthermore, the design principles and technical barriers in developing ideal redox mediator catalysts are analyzed, and future perspectives for this research field are proposed.

1 引言

锂-空气电池因具有超高的理论比能量成为近年来的研究热点[1-6]. 该类电池有望延长电动汽车的续航里程, 并推动先进储能系统的发展. 锂-空气电池[如锂氧电池(Li-O2)和锂二氧化碳电池(Li-CO2)]以金属锂作为负极, 含催化剂的多孔电极作为正极. 放电过程中, 气体在多孔正极侧被还原并与锂离子结合生成放电产物; 该产物在充电过程中被可逆分解并释放气体. 目前正极侧反应是电池性能的关键, 其面临电极动力学缓慢、过电位高及电解液分解副反应等挑战, 限制了锂-空气电池的发展进程[5,7-9]. 目前, 关于正极反应的基础研究尚不完善, 难以针对性地解决上述挑战. 针对这些挑战, 通常研究者引入催化剂来降低反应能垒、加快反应动力学、抑制副反应并提高能量转换效率[10-14]. 常见的催化剂分为固体多相催化剂和氧化还原媒介体分子催化剂(RM), 二者的区别在于存在形态和作用方式: 前者基于催化剂的活性表面催化反应, 在电催化领域被广泛研 究[15-16], 例如氧还原和制氢领域, 但是对于充电过程的固体反应物, 仅靠催化剂与反应物之间的“固-固”界面接触难以高效充电; 后者溶于电解液, 与电极基底和固体反应物构成“固-液-固”多相界面, 在反应物和电极之间穿梭并传递电子[17-18], 催化放电/充电反应, 实现反应速率常数的数量级提高. 由于RM将原本的“固-固”界面转化为“固-液”界面, 所以也被称为相转移催化剂.
相对于固体催化剂, RM的相关研究较少, 本文将以锂氧电池为例介绍其特点和优势. 锂氧电池的理论比能量高达3500 Wh/kg, 可以认为是终极形态的锂离子电池[19-22]. 在放电过程中, 正极侧氧气被还原后与锂离子结合生成固体放电产物过氧化锂(Li2O2) (2Li+O2+2e→Li2O2), 随后的充电过程中, Li2O2可逆地分解并释放出氧气. 但是由于Li2O2具有很低的电子电导率和离子电导率, 使得其一方面在放电过程中容易覆盖并钝化固体催化剂表面活性位点[23], 导致催化剂失效; 另一方面在充电过程中, 由于“固-固”界面接触不良引发一系列问题, 如: Li2O2充电分解不完全、库伦效率低、动力学慢、过电位大及易催化电解液分解副反应等[24-25].
而RM可以通过构建高效的“固-液-固”电子转移通路, 为解决上述难题提供了解决方案[26-33]. 例如: 在放电过程中, 2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(DBBQ)作为还原媒介体(RMred)可以催化O2在远离电极表面的溶液中还原并生成Li2O2固体(记为溶液相路径), 从而有效避免电极钝化, 提升放电容量和功率[34-35]. 同时, DBBQ通过与高活性物种超氧离子的络合有效抑制了由超氧离子引发的副反应. 在充电过程中, 碘化锂(LiI)作为氧化媒介体(RMox)可以将充电电位降至3.25 V, 显著降低过电位[36-37]. RM在电极-电解液和Li2O2-电解液这两个“固-液”界面之间, 通过自身的氧化还原循环(如$\mathrm{Br}_{3}^{-}$/I、 TTF/TTF, TTF=四硫富瓦烯), 在Li2O2与电极之间传递电子, 实现高效充电过程[38-39]. 双功能RM(如HeptVBr2)更实现氧还原反应(ORR)/氧析出反应(OER)协同催化[40]. RM为开发比能量高、过电位低且循环寿命长的锂氧电池提供了解决方案.
与锂氧电池类似, 锂二氧化碳电池同样面临放电产物难以分解的问题. 锂二氧化碳电池被视为同时实现清洁能源存储和减少二氧化碳排放的有效策略. 其主要放电产物碳酸锂(Li2CO3)为绝缘性固体, 分解所需电压甚至高于Li2O2, 从而导致了高的过电位和缓慢的动力 学[41]. 为了克服Li2CO3分解过程中的高能垒与缓慢动力学, 研究人员同样尝试引入RM, 通过建立可逆的溶液相反应路径, 有效地绕过了固-固界面的电荷传输限制. 目前已有多种RM被用于Li-CO2电池并展现出优异性能. Cao等[42]引入有机小分子吩噁噻(PHX)作为氧化RM, 其氧化态PHX可高效氧化Li2CO3为CO2(伴随单线态氧释放), 成功将充电电压平台降低至接近理论值. Lian等[43]将氧化还原电位约3.87 V (vs. Li/Li)的乙酰丙酮钌[Ru(acac)3]用作高效RM, 并利用Zn-MOF纳米板改性玻璃纤维隔膜(M-GF)抑制RM的穿梭, 协同提升了Li-CO2电池的性能. 此外, Wang等[44]使用1-乙基-3-甲基咪唑溴化物(EMIBr)作为双功能氧化还原媒介体, 使Li-CO2电池获得了更低的过电位(约1.17 V)和更长的循环寿命, 其中$\mathrm{Br}_{3}^{-}$/Br离子对可以加速Li2CO3氧化动力学, 而EMI阳离子通过静电作用保护负极并抑制枝晶生长. RM不仅能在Li-CO2电池充电过程中促进Li2CO3分解, 也能促进放电反应, 如DBBQ和2-乙氧基乙胺(EEA)都能在一定程度上提高放电电位[45-46].
RM是一类典型的均相催化剂, 多用以催化水溶液中氧还原反应(生成H2O或者H2O2)、二氧化碳还原反应和有机合成反应. 由于其氧化(或还原)电流呈现典型扩散控制的稳态电流响应(如Randles-Sevcik方程预测), 所以其催化效果可以用“S型”极化曲线来定量表 征[47-48]. 与之相比, 在锂-空气电池中, RM虽作为均相催化剂但催化的是多相反应, 与均相催化反应存在较大差异. 例如: 在锂氧电池中, 固体放电产物Li2O2会覆盖在电极表面导致电极活性面积不断减小, 反应路径逐渐由扩散控制转变为界面电荷转移控制, 因为在线性伏安法等测试中表现为还原峰而非“S型”极化曲线, 所以也无法用类似稳态方法量化其催化效果. 对于该情况, 需结合原位微分电化学质谱(DEMS)、压力电池和原位紫外可见光谱(UV-vis)等手段定量O2和超氧离子的消耗速率来量化RM的催化效果[49-51].
本文以锂-空气电池为例, 详细介绍媒介体催化的作用机制和应用, 论述设计理想媒介体的要点和难点, 为理解和优化其他金属-空气电池体系中的催化机制提供参考.

2 RM在放电-充电过程中的作用机理和电化学表现

2.1 放电过程

在采用非质子电解液的锂氧电池中, 放电产物通常为可以稳定存在且未断开氧-氧键的两电子还原产物Li2O2 (E=2.96 V vs. Li/Li). 一方面, 氧气还原的单电子产物LiO2热力学不稳定会进一步歧化为Li2O2; 另一方面, 四电子产物Li2O的形成和分解涉及氧-氧键的断键和成键, 动力学缓慢, 对催化剂的要求太高, 同时其电位更低(E=2.3 V vs. Li/Li). 研究表明, 放电过程经历了超氧中间体(如$\mathrm{O}_{2}^{-}$、LiO2), 是两个单电子转移过程. O2首先被还原为超氧化物(Eq. 1), 超氧化物可以在电极表面进一步被还原为Li2O2固体(Eq. 2), 也可以在溶液中歧化为Li2O2 (Eq. 3), 分别对应表面相路径和溶液相路径(图1a)[52-54]. 前者难以避免, 会造成电极和催化剂的钝化和失效.
O2+Li+e→LiO2
LiO2+Li+e→Li2O2
2LiO2→Li2O2+O2
图1 (a)锂氧电池中O2还原示意图[溶液路径(蓝)和表面路径(灰)[54]]以及(b) DBBQ[34]、(c) AQ[55]和(d) RB[57]催化放电过程示意图

Figure 1 (a) Schematic illustration of O2 reduction in a Li-O2 cell [the solution pathway (blue) and the surface pathway (gray)[54]], and schematics of discharge process catalyzed by (b) DBBQ[34], (c) AQ[55] and (d) RB[57]

RMred可通过溶液介导调控Li2O2的形成机制, 促进溶液相路径, 抑制表面相路径, 推迟电极钝化. RMred首先在电极表面被还原(Eq. 4), 然后向外扩散并与氧气反应生成Li2O2, 同时自身被氧化再生为RM (Eq. 5).
RMred+e→RMred
2RMred+O2+2Li→2RMred+Li2O2
但实际机制涉及两个电子转移步骤和多个中间体, 比Eq. 5更复杂, 包括RM与氧物种之间相互作用强弱、是否仅转移电子还是形成稳定的中间体以及是否涉及歧化过程等因素.
以DBBQ为例(图1b)[34], DBBQ在电极表面被还原形成LiDBBQ后(Eq. 6), 并非简单地充当传递电子的介质将氧气还原, 而是与电解液中的溶解O2结合形成了中间体LiDBBQO2 (Eq. 7), 该中间体经歧化反应(Eq. 8)或者与LiDBBQ化学反应生成Li2O2 (Eq. 9), 该机制对应图1b所示的溶液路径.
DBBQ+Li+e→LiDBBQ
LiDBBQ+O2→LiDBBQO2
2LiDBBQO2→Li2O2+2DBBQ+O2
LiDBBQO2+LiDBBQ→Li2O2+2DBBQ
相比于超氧化物中间体, 新中间体的能量和活性都更低, 不仅加速了放电过程, 将过电位减小一半, 还有效抑制了超氧化物引发的电解液分解副反应. 利用扫描电子显微镜(SEM)观察到了通过溶液介导机制形成的环形放电产物, 放电容量提高了80~100倍. 类似的醌类分子也能起到同样的效果, Zhao等[55]利用原位表面增强拉曼光谱(SERS)研究了金电极表面蒽醌(AQ)对氧气还原的催化机制. 发现AQ还原后形成的LiAQ迅速与O2结合生成LiAQO2中间体, 而LiAQO2经过一系列反应, 最终在溶液中形成Li2O2(图1c).
在此过程中, 在电极表面也存在O2直接还原过程(Eq. 1)与RM还原过程(Eq. 4)的竞争, 虽然RM由于电位和浓度的优势, 会被优先还原, 但并不能绝对避免生成LiO2. 同时关键中间体RM-LiO2存在形成分解的平衡(Eq. 10). 因此, 媒介体催化虽能有效降低电解液中LiO2的浓度和副反应, 但也不能完全避免LiO2的出现. 不同的醌类分子由于氧化还原电位的差异, 形成的中间体能量有所不同, 其平衡常数(Eq. 10)不同, 导致反应的机制也会有所不同. 尽管如此, 根据硫酸氧钛化学滴定Li2O2产率的结果, RM催化还是在提升放电反应动力学和抑制副反应方面起到了很大的作用.
RM-LiO2⇌RM+LiO2
这种RM催化机制并非唯一的选择, 例如铁血红素可以通过与氧气有限结合为复合物后被还原, 从而催化放电过程[56]. 而Jiang等[57]报道的钌三(联吡啶)(RB)阳离子, 则是通过改变超氧离子歧化途径, 从而提高放电和充电过程的动力学(图1d). 该过程中, 氧气被还原为超氧离子($\mathrm{O}_{2}^{-}$)后, 与RB结合形成中间体RB1, 此时电荷从超氧转移到RB的二吡基上. 随后, RB1捕获第二个超氧离子形成二聚体RB2, 并最终释放出Li2O2分子. 通过这种方式, RB降低了歧化反应的能垒, 加速了$\mathrm{O}_{2}^{-}$歧化动力学. 研究人员通过UV-Vis观察到了金属到配体的电荷转移(MLCT)特征吸收带的变化, 同时电子顺磁共振(EPR)中特征G因子的改变也证实了RB和$\mathrm{O}_{2}^{-}$的相互作用.
媒介体催化在调控锂-空气电池放电产物方面应用广泛. 例如, 在Li-CO2电池中, 可通过媒介体催化产生后续更易分解的草酸锂(Li2C2O4), 避免难分解的产物Li2CO3[58-59]. Zhang等[60]将三(2,2'-联吡啶)二氯化钌(II) [Ru(bpy)3Cl2]应用于Li-CO2电池, 获得了22119 mAh• g-1的超高初始放电容量. 研究发现, Ru(II)中心不仅能与溶解的CO2相互作用促进电还原反应, 还能稳定放电中间体, 延缓其转化为不需要的碳酸盐. 该工作发现了一种非晶放电中间体, 可能是Li2C2O4, 它具有较低的电荷转移阻抗, 充电后易于分解, 有助于提高Li-CO2电池的电化学性能. 此外, Zhou团队[58]利用一种可溶性双核Cu(I)络合物作为RM, 实现了Li-CO2电池中CO2的选择性转化路径, 最终产物为Li2C2O4而非Li2CO3. 该Cu(I)络合物通过先与CO2形成Cu-CO2中间体, 然后在电极表面发生还原反应, 生成Li2C2O4, 并释放原始RM分子. 由于Li2C2O4相较于Li2CO3具有更高的可溶解性与可逆性, 该策略显著提升了电池放电电压(高达3.04 V)与循环稳定性. 这些工作为突破Li-CO2电池低效放电与不可逆产物瓶颈提供了新路径.

2.2 充电过程

充电过程中, Li2O2固体分解过程也需要经历两电子转移过程(Eq. 11), 可能通过表面超氧物种或Li缺陷表面等中间物种进行, 反应历程复杂. 受限于催化剂|Li2O2的“固-固”界面接触不良等因素, 活性反应面积受限, 分解动力学缓慢, 最终表现为充电过电位大. RMox可以将“固-固”界面转化为两个“固-液”界面之间的反应, 增大活性反应面积, 降低充电过电位[61]. 在充电过程中, 如图2a所示, RMox首先在电极表面被氧化(Eq. 12), 然后RMox扩散到Li2O2的表面并与Li2O2反应释放O2和Li (Eq. 13).
Li2O2-2e-→O2+2Li
RMox-e-→RMox
2RMox+Li2O2→2RMox+2Li+O2
图2 (a) RM催化Li2O2分解示意图(电子转移步骤使用蓝色虚线框标出)、(b) SECM反馈曲线示意图[62]、(c)表观速率常数kapp与媒介体氧化还原电位E0的关系[62]及(d)含有LiTFSI的DMSO电解液中不同形式电位E ($\mathrm{I}_{3}^{-}$/I)下$\mathrm{I}_{3}^{-}$氧化Li2O2的反应速率常数[63]

Figure 2 (a) Schematic illustration of Li2O2 decomposition catalyzed by the RM (the electron transfer steps highlighted by blue dashed boxes), (b) schematics of SECM feedback approach curves[62], (c) dependence of the apparent rate constant, kapp, on the redox potential, E0, of the mediators[62], (d) the kapp of $\mathrm{I}_{3}^{-}$ oxidizing Li2O2 with various E ($\mathrm{I}_{3}^{-}$/I) in DMSO electrolyte containing LiTFSI[63]

有不少关于氧化媒介体提升电池性能的报道, 在其他综述中也有介绍, 在此就不一一举例说明. 就这类反应而言, 研究表明RMox氧化Li2O2 (Eq. 13)是整个催化过程的动力学瓶颈[62]. 如果能使RMox氧化Li2O2的反应更快, 则可以提高整体充电速率. 该反应是一个多电子转移步骤, 可以被进一步细分为以下五个反应:
RM+Li2nO2n→RM+Li2nO2n
Li2nO2n→Li+Li2n-1O2n
RM+Li2n-1O2n→RM+Li2n-1O2n
Li2n-1O2n→Li+Li2n-2O2n
Li2n-2O2n→Li2n-2O2n-2+O2
明确决速步骤可指导催化剂的合理设计, 但是目前对于具体的决速步骤并不清楚. Ahn等[51]认为决速步骤是Li2O2经历外球单电子转移过程被氧化为LiO2 (Eqs. 14, 15). Chen等[62]使用扫描电化学显微镜(SECM)的逼近曲线来定量该瓶颈反应(Eq. 13)的表观速率常数(kapp), 判断RMox氧化分解Li2O2的快慢(图2b). 通过对比多种RM后, 发现该反应是一个涉及RM去溶剂化和表面吸附过程的内球电子转移过程, 因此, 反应的动力学快慢在很大程度上取决于RMox的分子空间结构和Li2O2的表面状态, 而不是RM自身的氧化还原电位[E(RMox/ RMox)](图2c). 活性中心暴露在在外的RM更容易与Li2O2表面发生作用, 从而反应得更快.
值得注意的是, RM自身的氧化还原电位也并非没有影响. 虽然Li2O2固体的热力学分解电位为2.96 V, 但是由于Li2O2暴露在外的各个晶面分解所需能量(或电位)有所差别, 因此, 当RM在电解液中的形式电位刚好达到该晶面分解所需的阈值电位, 就能激活Li2O2于该晶面的分解反应, 使得整体反应的动力学常数kapp (Eq. 13)将突然增加数倍(图2d)[63]. 这些研究提出了量化RMox氧化Li2O2动力学速率常数的方法, 指出了影响动力学的因素, 为设计高效RMox打下了基础.

3 RM的分类及优缺点(按活性中心分类)

自从可溶性RM被证明能够有效地提高锂-空气电池的性能以来, 研究人员已经开发了许多氧化还原媒介体, 包括金属中心化合物、有机小分子和聚合物等.

3.1 金属中心化合物

金属中心化合物是一类水溶液中常用的分子催化剂, 具有活性中心明确以及可通过金属中心环境来调控吸附能等优点. 该类RM通常以过渡金属为中心, 酞菁、卟啉或吡啶等为配合物, 在反应时通过改变活性金属阳离子的价态来进行氧化还原反应. 金属中心化合物具有良好的电子转移能力和可调的氧化还原电位. 常见的如铁酞菁(FePc)、钴酞菁(CoPc)、钴双(三吡啶)配合物[Co(Terp)2]及乙酰丙酮铱[Ir(acac)3][64-65]等. 2014年, Sun等[66]将FePc作为溶液相双功能催化剂用于锂氧电池. FePc能够带着$\mathrm{O}_{2}^{-}$物种和电子在电极和固体产物之间穿梭, 因此可以观察到Li2O2在不与碳直接接触的情况下生长和分解(图3a3b3b). 此外, 通过引入吸电子或给电子基团可以控制RM的氧化还原电位和活性[67], 取代的给电子基团可以将FePc的氧化电位转移到更高的能级, 从而降低充电电位. 最近, Mandal等[68]系统地研究了过渡金属酞菁(包括CoPc、FePc、MnPc和NiPc等)作为锂氧电池中溶液态氧化还原媒介体的性能(图3c). CoPc的氧化还原电位相对更低, 能有效降低Li2O2氧化电位, 而又不会触发电解液的分解. 酞菁和卟啉具有优异的电子传导性, 而吡啶类则具有结构简单和电位可调的优 势[69]. Yao团队[70]报道了钴双(三吡啶)配合物Co(Terp)2, 通过改变溶剂环境可以调节其氧化还原电位. 金属中心化合物类RM在水系氧还原和二氧化碳还原中应用广泛, 能为在金属空气电池中的RM设计提供借鉴. 但是, 这类RM由于分子太大通常扩散较慢且溶解度低(尤其是在醚类溶剂里)[71], 并且由于位阻作用, 其吸附在固体表面难度大, 导致RM与Li2O2反应时, 电荷转移较慢, 限制了其在电池中的实际催化效果.
图3 FePc作为RM在锂氧电池中的(a)作用和(b)催化反应路径[66]及(c)不同过渡金属酞菁作为RM在锂氧电池中的恒电流循环[68]

Figure 3 (a) The role and (b) the possible catalyzed reaction routes of FePc as an RM in Li-O2 batteries[66], and (c) galvanostatic cycling performance of different transition-metal phthalocyanines as RMs in Li-O₂ batteries[68]

3.2 有机小分子

有机小分子RM通常具有较高的溶解度和较快的扩散速度, 能快速与电极基底和固体反应物(如Li2O2)之间进行电荷转移. 该类RM又可细分为自由基类、醌类、硫醚类和苯胺[72]等. 常见的有2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基(TEMPO)、1,4-苯醌(BQ)、DBBQ、AQ、四硫富瓦烯(TTF)和N,N,N',N'-四甲基对苯二胺(TMPD)等. 近年来, TEMPO由于其稳定性较高和氧化Li2O2动力学快的特点在锂氧电池被大量使用[62,73-74], 能有效避免电解液分解等副反应, 提高电池的循环性能(图4a). 醌类RM如DBBQ和AQ在上文已经介绍过, 另外有些苯醌类RM在电解液中的溶解度较低, 可能影响其在电池中的均匀分布, 有望通过引入氨基或羧基等官能团来优化其溶解性和电化学反应性[75-76]. 早在2013年, TTF就被作为充电RM引入锂氧电池中[38]. Yang等[77]通过扫描透射电子显微镜观察到, 加入TTF后, 充电电位显著降低, 氧化反应主要发生在Li2O2-电解质界面, 与充电电极电场中的氧化TTF分布有明显的对应关系. 这项研究直接证明TTF作为电极和Li2O2之间的可溶性电荷转移剂, 确实在促进Li2O2分解方面发挥了作用. 但是, Qiao 等[78]通过光谱研究发现, TTF的功能会随着电极材料和形态的变化而变化, 在多孔碳电极上的ORR/OER循环期间, 观察到了游离TTF在溶液中的积累(图4b), 最终与碳表面形成的副产物的量吻合. 因此, 在设计RM时, 除了其本身的物理性质和催化性能, 还需关注RM与电极、电解液之间的兼容性[79].
图4 (a) TEMPO催化锂氧电池充电过程的示意图和电化学性能[73]及(b)多孔碳电极在含TTF的Li-DMSO电解质中循环时观察到不同状态下(用字母B到F标记)的紫外可见光谱[78]

Figure 4 (a) Schematics and electrochemical performance of charging process catalyzed by TEMPO in Li-O2 batteries[73], and (b) UV-vis spectra observed at different states (marked by letters from B to F) during cycling of the porous carbon electrode in the TTF-containing Li-DMSO electrolyte[78]

3.3 聚合物

聚合物类的RM在电解液中溶解度较低, 能解决穿梭问题, 避免活性RM与负极发生副反应造成内部短路, 提高能量利用效率. 该类RM通过聚合有机小分子RM单体, 或把氧化还原活性中心枝接在聚合物的侧链或者碳材料表面基团上, 又被称为接枝媒介体或者锚定媒介体. 其既能保留RM的催化效果又能将活性催化中心限制在正极侧, 例如, 聚2,2,6,6-四甲基-1-哌啶基氧基-4-甲基丙烯酸甲酯(PTMA)就是将TEMPO衍生物固定在聚合物侧链(图5)[80], N-O活性中心通过聚合物链进行电荷转移并传递给Li2O2, 实现了无穿梭的氧化还原催化. 将RM直接锚定在导电基底上, 有利于其与放电产物之间的界面接触, 从而促进反应过程[81-82]. TEMPO被锚定在三维多孔ZnO@C/NF导电基底中用作锂氧电池的自支撑正极, 该电池表现出6.9 mAh•cm-2的高放电比容量以及0.6 V低过电位[83]. Liu等[84]通过共价键将TEMPO锚定到共价有机框架(COF)中, 既能抑制TEMPO在正极之间穿梭, 又能实现溶液相Li2O2的高效生成和分解, 从而延长电池循环寿命. 聚合物RM为解决穿梭效应提供了有效方法, 但要考虑如何让活性中心接触Li2O2分子, 在这里动力学瓶颈是Li2O2溶解而不是电荷转移.
图5 TEMPO和PTMA的作用过程[80]

Figure 5 Working processes of TEMPO and PTMA[80]

4 媒介体催化剂的设计和难点

媒介体催化避开了固-固接触的问题, 是提升锂-空气电池反应动力学的有效催化途径. 在寻找新的RM催化剂时, 为了提升催化效率和稳定性, 需要考虑以下条件[27,85-86].
(1) RM在电解液中自身氧化还原可逆性好. RM作为电解液中传递电子的部分, 它们自身需要足够的化学稳定性, 保证能够可逆地得失电子, 将电子转移给反应物. 有些RM与有些溶剂组分不兼容, 例如, TEMPO在二甲基亚砜(DMSO)中氧化还原不可逆, 因此TEMPO无法在DMSO电解液中使用.
(2) RM溶解度好且扩散系数大. 溶解度和扩散系数限制了RM的扩散电流和催化效果, 而扩散系数较大的RM可实现更大的催化反应范围.
(3) RM具有合适的氧化还原电位. 作为放电催化剂, RM自身的电位应介于气体的实际还原电位和放电反应的热力学电位之间, 并尽可能地接近热力学电位. 从动力学角度, 电极表面RM还原和气体直接还原是竞争过程, 因此RM电位应当比气体的还原电位更高. 此外, 若RM的电位太高, RM会难以与O2形成稳定的中间体并实现后续反应.
作为充电催化剂, RM的电位在高于充电反应热力学电位的前提下, 越低越好, 即尽可能接近放电产物分解的热力学平衡电位. 以锂氧电池为例, RM还原和O2还原是一对竞争反应, 如果它们电位接近, O2直接还原占据竞争优势, 使得电极表面钝化程度增加. Ye等[87]曾在蒽醌的不同位置引入不同数量的吸电子基团, 使其还原电位向更正的区域移动, Li-O2电池的放电性能得到改善. 同样, Askins团队[88]报道了一类三芳基甲基阳离子可有效提高放电容量, 并且观察到具有更正还原电位的RM会促进更大的放电容量, 因为它们抑制表面介导还原途径的能力更高.
(4) RM催化反应动力学快. 被引入RM的重要目的是提升充放电反应动力学, 如此不仅可以降低充放电过电位, 提高能量效率和库伦效率, 还可以避免形成高活性中间体或者减少高活性中间体存在时间, 抑制其引发的电解液分解副反应.
(5) RM稳定性高. 在充放电过程不可避免会产生各种高活性氧物种, RM作为关键催化剂, 不仅需考察自身的稳定性(如光、热稳定性)还需考察其对高活性氧物种(如超氧化物、过氧化物和单线态氧等)的抗干扰能力[89]. 因此, 设计新的RM时需特别关注其对活性物种的抗干扰能力.
研究人员可以借助AI计算先进行初步筛选, 再进一步分析测试. 对于条件1~3, 可通过理论计算[密度泛函理论(DFT)、分子动力学模拟(MD模拟)等]得到分子活化能垒、前线轨道能量[最高占据分子轨道(HOMO)/最低未占据分子轨道(LUMO)]及分子溶解度等信息, 从而预测RM分子的性质, 帮助减少筛选工作量. 需要注意的是, RM的氧化还原电位和稳定性等性质虽与分子结构有关, 但也受溶剂和电解质盐的影响, 尤其是含有两对氧化还原峰的RM, 受溶剂的影响非常大, 因此设计时需考虑溶剂化结构的影响. 这些为理论计算和预测带来了更高的难度和成本.
对于条件4和5, 相关计算的复杂程度高且准确性低, 即使在实验上也缺少直接的评估手段和可靠描述符. SECM实验能得到反应的表观速率常数, 但只代表RM再生速度, 不代表氧气产生速度, 实际情况可能更复杂(涉及Li2O2的表面重构和化学钝化等). 如果RM再生了但是并没有立刻释放O2, 该如何确定动力学快慢? DEMS可以实时监测气体变化, 但需要响应时间, 这种方法能定量气体消耗/产生但不能准确地反映气体消耗/产生的快慢. 针对这种情况, 使用带有压力传感器的模具电池可能是一种解决方案, 足够小的反应室使压力响应足够快, 通过压力变化速度反映气体消耗/产生的快慢, 结合DEMS也得到气体种类的信息. 总之, RM催化的动力学快慢该选用怎样的描述符需要进一步研究. 由于电池中具有大量能引发副反应的高活性中间体, 并且引发的副反应也是多种多样, 例如: 仅仅超氧离子自身可同时作为强碱、强亲核试剂或氧化剂引发副反应, 在计算模拟中都需要加以考虑, 大大增加了计算量和成本. 通过将RM与活性氧(如超氧化物或过氧化物)放置在同一种溶液中, 并使用核磁共振(NMR)来检测溶液是否出现属于副产物的新峰, 是一种可以用来评估RM对活性氧稳定性的方法. 这种方法虽然合理, 但检测限较高, 同时NMR提供的是静态的信息, 难以反映动态变化和短暂中间体的形成, 结合其他原位光谱(红外/拉曼)手段可能获得更全面的结论[90].

5 未来的展望

5.1 媒介体催化的探索方向

媒介体催化在高比能、长循环锂-空气电池的研发中发挥着关键作用, 可有效加快充放电反应动力学, 提高放电容量和功率, 减少副反应, 改善循环性能. 尽管现有研究已取得了一定的进展, 但距离锂-空气电池的理论比能量还存在很长的路, 仍然面临诸多挑战. 因此, 未来的研究需要关注更高效、更稳定的媒介体分子设计, 切实解决体系中目前存在的问题. 除了进一步理解其催化反应机制, 为媒介体分子的针对性和理性设计提供理论依据, 以下方向也非常值得进一步探索.
(1)开发设计双功能氧化还原媒介体(兼具放电和充电过程催化活性)不仅是提升电池性能的关键方向, 也是简化电池系统复杂性的一种有效途径. 可减少电池系统所需的催化剂种类, 避免媒介体分子之间的兼容性问题, 优化电解液组成.
(2)优质人工SEI层(相当于固态电解质)能够保护锂-空气电池的负极[91-93], 由于其电子电导率低, 可抑制媒介体穿梭造成的内部短路. 相对于各类锂离子电池中的SEI层, 人工SEI膜的研究除了关注更高的离子导电性和更强的界面稳定性, 还应考虑SEI层对含氧/二氧化碳电解液的适配性.
(3)通过聚合物形式固定RM是另一种抑制穿梭的有效手段, 不仅能免去复杂的SEI设计, 还能提高RM在正极侧的局部浓度. 理想的聚合物RM设计需要确保活性中心的稳定性和高效的电子转移能力. 如何在不影响催化效果的前提下在聚合物基质中枝接活性中心? 聚合物链的交联度、孔隙度、玻璃转化温度与活性中心的相互作用都会影响整体性能, 都需要进一步探索.
(4)多电子媒介体有望在一步反应中实现多电子转移. 这一特性使得涉及多电子的充放电过程有可能规避活性中间体的生成及其引发的副反应. 对于包括锂-空气电池在内的金属空气电池, 多电子RM将改变媒介体催化反应路径, 并有望拓展到更多涉及多相界面的电池体系, 进一步推动电池技术发展.

5.2 媒介体催化在开放式锂-空气电池中挑战

此外, 与密闭式系统相比, 开放式锂-空气电池面临更加复杂严峻的运行条件[20,94]. 开放体系下, 环境空气中的CO2和H2O不可避免地参与副反应, 生成Li2CO3和LiOH等难以逆转的沉积物, 导致电极钝化和电解质组成动态变化[95]. 若产物(如Li2O2)在电极表面非均匀沉积, 更会加剧孔道阻塞和传质受限的问题. 此外, 气体浓度波动、湿度变化及环境污染物等不可控因素, 也会对电池内部的实际运行环境带来不可忽视的扰动. 在此背景下, RM作为电子转移的“桥梁”, 在理论上仍具有显著潜力[96-97], 通过调节充放电过程中产物的沉积与氧化行为, 从而达到缓解传质受限问题和加快电极反应动力学的效果. 然而, 这一策略在开放体系中能否稳定工作, 取决于RM分子是否能在动态、复杂的多相环境中保持高选择性与高稳定性. 许多常见RM在富氧或含H2O/CO2环境中容易发生副反应, 导致失活或生成不希望的副产物, 从而削弱其原有的催化功能. 因此, 为适应开放环境中更为严苛的工况, 在设计RM时则需要重点关注以下条件: (1)高稳定性, 可耐受H2O、CO2等干扰物的长期存在; (2)高选择性, 能够选择性捕获-定向催化O2或CO2, 而不参与其它副反应; (3)高活性位点, 能在未知产物不可逆沉积时依旧保持良好的催化效果; (4)良好的可溶性与扩散性, 以适应电解质环境动态变化下的传质需求. RM在开放体系中的适应性和实用性将是决定媒介体催化开放式锂-空气电池性能的关键. 未来的研究可从RM分子结构优化和工作环境调控两个方向入手: 其一是开发具有更高化学稳定性和环境耐受性的有机或金属配合物类RM, 以提升其在复杂气氛下的本征适应性; 其二是通过构建凝胶电解质、气体选择性过滤层和使用CO2淬灭剂等手段, 为RM提供更稳定的工作环境. 例如, 针对空气中CO2的干扰, 一方面可以设计稳定且具有选择性的RM分子, 定向催化O2与CO2的氧化还原反应, 避免交叉干扰和非选择性副产物生成. 另一方面, 应认识到空气中CO2浓度(约0.04%)远低于O2浓度(约21%), 与以高纯CO2为反应气体的锂二氧化碳电池显著不同, 可考虑通过膜分离等手段选择性过滤CO2. 这些探索为未来实现RM策略在开放式 锂-空气电池中的可行应用提供了理论与技术支撑.
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