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电极界面修饰与气氛调控协同优化锂空气电池性能的研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展以及能源需求的不断增长，传统化石能源面临着日益枯竭的困境，与此同时，其使用所带来的环境污染问题也愈发严峻。在这样的大背景下，开发高效、清洁、可持续的新型能源存储系统已成为当下能源领域的研究重点与迫切需求。锂空气电池作为一种极具潜力的新型储能装置，凭借其超高的理论能量密度，吸引了众多科研工作者的目光，成为了能源存储领域的研究热点。

锂空气电池以金属锂为负极，空气中的氧气为正极活性物质，通过电化学反应实现能量的存储与释放。其理论比能量高达11140Wh/kg，相较于传统的锂离子电池，有着数量级上的提升。这一显著优势使得锂空气电池在电动汽车、航空航天、便携式电子设备等领域展现出巨大的应用潜力。在电动汽车领域，若能成功应用锂空气电池，将有望大幅提高车辆的续航里程，有效解决目前电动汽车续航焦虑的问题，推动电动汽车产业的飞速发展；在航空航天领域，锂空气电池高能量密度和轻量化的特点，可满足飞行器对能源高效存储与减轻重量的严格要求，提升航空航天设备的性能和工作效率；对于便携式电子设备而言，锂空气电池能够提供更持久的电力支持，减少充电频率，为用户带来更加便捷的使用体验。

然而，锂空气电池在实际应用中仍面临诸多挑战，其中电极界面问题和气氛环境影响尤为突出。在电极界面方面，充放电过程中，电极/电解质界面会发生复杂的物理和化学变化，导致界面阻抗增大、电极材料的结构稳定性下降以及活性物质利用率降低等问题。这些问题严重影响了电池的充放电效率、循环寿命和能量密度。例如，在放电过程中，正极表面会生成不溶性的锂氧化物产物，这些产物会逐渐覆盖电极表面，阻碍氧气的传输和电子的转移，使得电池的极化现象加剧，放电容量降低。同时，负极锂金属在充放电过程中容易发生不均匀的沉积和溶解，形成锂枝晶。锂枝晶会不断生长并刺穿隔膜，导致电池短路，严重威胁电池的安全性和循环稳定性。

气氛环境对锂空气电池的性能也有着重要影响。一方面，空气中除了氧气外，还含有水分、二氧化碳等杂质气体。这些杂质气体容易与电池中的活性物质发生副反应，导致电池性能下降。例如，水分会与锂金属负极发生剧烈反应，生成氢氧化锂和氢气，不仅消耗了锂金属，还会产生气体压力，影响电池的安全性；二氧化碳会与正极放电产物反应，生成碳酸锂等物质，降低电池的可逆性和循环寿命。另一方面，氧气在不同气氛条件下的扩散速率和溶解度也会有所不同，这会影响电池的反应动力学过程，进而影响电池的倍率性能和充放电效率。

因此，开展基于电极界面修饰与气氛调控的锂空气电池研究具有至关重要的意义。通过对电极界面进行修饰，可以改善电极/电解质界面的性能，增强电极材料的稳定性，提高活性物质的利用率，从而提升电池的充放电效率、循环寿命和能量密度。例如，采用表面涂层技术在电极表面引入一层具有良好离子导电性和化学稳定性的保护膜，可有效抑制锂枝晶的生长，减少副反应的发生，提高电池的安全性和循环稳定性；利用纳米结构设计，增加电极的比表面积和活性位点，促进氧气的吸附和反应，降低电池的极化现象，提高电池的能量效率。

通过对气氛环境进行调控，可以优化氧气的供应和杂质气体的去除，改善电池的反应条件，提升电池的性能。例如，采用气体过滤技术去除空气中的水分和二氧化碳等杂质气体，可减少副反应的发生，提高电池的稳定性；通过设计合理的气体扩散结构，优化氧气在电极表面的扩散和分布，提高电池的倍率性能和充放电效率。

综上所述，深入研究电极界面修饰与气氛调控对锂空气电池性能的影响机制，并开发相应的技术策略，对于突破锂空气电池的应用瓶颈，推动其商业化进程具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2研究现状

近年来，锂空气电池在电极界面修饰和气氛调控方面取得了一系列的研究进展。在电极界面修饰方面，研究人员主要从电极材料的选择与设计、表面涂层技术以及界面添加剂的使用等方面展开研究。

在电极材料方面，对于正极材料，碳材料因其高比表面积和良好的导电性，被广泛应用于锂空气电池的正极。然而，碳材料在充放电过程中容易发生腐蚀和结构破坏，导致电池性能下降。为了解决这一问题，研究人员通过对碳材料进行改性，如引入杂原子掺杂（如氮、硫等）来提高其电化学活性和稳定性。例如，有研究采用氮掺杂的多孔碳材料作为正极，在充放电过程中，氮原子的引入不仅增加了碳材料的活性位点，还增强了材料对氧气的吸附能力，使得电池的放电容量和循环性能得到了显著提升。

金属氧化物（如MnO?、Co?O?等）作为一类重要的正极催化剂，也受到了广泛关注。这些金属氧化物具有较高的催化活性，能够有效降低氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的过电位，提高电池的充放电效率。有研究将MnO?纳米线负载在碳纳米管上，制备出