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文献综述
文 献 综 述
1.锂空气电池概述
随着经济的不断发展,必然引起石油资源的枯竭和环境污染、全球变暖等现象的加剧。新能源,节能技术及环境技术的综合高效率开发和利用己成为十分必要的课题,研究与开发高能量密度的电源体系及材料势在必行。
相比于传统的锂离子电池，金属空气电池，尤其是锂空气电池具有更高的能量密度，其能量密度可达 11680 Wh kg-1 [1-2],十倍于传统商业应用的锂离子电池。此外，锂空气电池由于不含铅、镉、汞等有毒物质，是一种环境友好型的电池体系。但是在没有催化剂存在的条件下，充放电过程中的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）反应动力学活性差，氧气在正极上的还原非常缓慢，该过程极化较大，需要克服较高的能量壁垒[3-4]。因此，寻找一种空气电极催化剂兼具ORR与OER双功能催化活性，能够有效降低过电位，促进放电产物的分解,提高电池的循环性能是当下的研究重点。
如图1所示，典型的锂空气电池由金属锂负极、电解液及多孔正极组成，其工作环境分为有机系、水系、混合体系、固态体系四种，金属锂在水系的电解液中腐蚀现象严重，从而造成自放电率高、库伦效率低、稳定性安全性差等问题。有机系电解液既是正负极间的绝缘隔膜，也是放电过程中锂离子从阳极到正极的传输媒介。目前，有机电解质体系的锂-空气电池发展非常迅速，是人们研究与开发的热点，且已经取得了良好的研究成果。其电极反应可用如下反应式表示。
2.锂空气电池存在的问题以及电池正极要求
尽管锂空气电池在高效能量存储应用方面存在巨大潜能，在其产业化之前仍然有大量技术难关需要攻克。例如锂空气电池存在动力学缓慢、放电产物过氧化锂Li2O2分解不完全、电池循环稳定性差等诸多问题。目前研究表明，锂空气电池的性能取决于正极表面的电化学反应[6]。因此，优化正极结构和组成对于构建高性能的锂空气电池至关重要。理想的电池正极需要考虑以下四个方面[7]：比容量提升；充放电能量效率提高；倍率性能提升；循环稳定性增加。
A.比容量：锂空气电池最大优点在于其超高的理论比容量，但电池的实际比容量由正极材料所能容纳的放电产物量所决定。而在锂空气电池体系中，放电产物不溶于有机电解液，随放电程度的深入和循环圈数的增加，Li2O2 等放电产物或副产物会逐步在正极材料的孔道中累积，从而占据活性位点并堵塞氧气传输通道。因此，我们可以采用多孔高比表面积的正极材料，并且有效调控沉积的放电产物形貌也将会对比容量提升有所帮助[8]。
B.充放电能量效率。锂空气电池在循环中涉及放电氧还原 ORR 反应和充电氧析出 OER 反应。由于这两个反应速率低，即使在很低的电流密度下，电池的充放电能量效率也很低。选用高活性的双功能催化剂可以降低充放电过程中的过电势，从而提高放电电压平台、降低充电电压平台，进而提高充放电过程中的能量转换效率[8-9]。
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