哈工大王家钧/孔凡鹏Science子刊：固态锂氧电池最新进展！

研究背景

在各种电池系统中，可充电锂空电池具有超高的理论能量密度（3458 Wh kg⁻¹）、开放式结构和低制造成本，因此在储能装置中具有应用前景。与常规液体系统相比，使用不可燃固态电解质的固态Li-O₂电池（SSLOB）的前景更大。但是SSLOB在循环过程中具有很高的过电势，这给高效阴极催化剂层的结构设计带来了巨大的挑战。

SSLOB的催化性质取决于催化剂和催化剂界面反应物的局部浓度。对于SSLOB，没有液体系统中可溶性氧的情况，这消除了活性位点的氧浓度梯度，从而减轻了传质的限制。同时，SSLOB的氧气直接扩散到催化剂表面也避免了可溶性氧浓度随温度的变化，有利于其在各种温度下的应用。

然而，固态阴极（SSC）中固态电解质和催化剂的直接物理混合，会形成不均匀的锂离子传导路径。因此，设计的SSC不仅需要促进氧析出和氧还原，还需要有良好的离子/电子通道。尽管此前催化剂的设计取得了一定进展，但在微/纳米尺度上调整与电解质的接触仍然非常具有挑战性。

研究成果

近日，哈尔滨工业大学王家钧教授和孔凡鹏助理教授等人在Science Advances上发表最新成果，Tailoring electronic-ionic local environment for solid-state Li-O₂ battery by engineering crystal structure，通过晶体结构工程调整了局部的电子-离子环境，来实现高性能固态锂氧电池。

Li-Ru-O在锂过渡金属氧化物材料中表现出相对较高的离子传导动力学。与RuO₂相比，Li-Ru-O（如Li₂RuO₃）的嵌锂和脱锂的电位几乎与SSLOB的操作电压重叠，这有利于离子传导通路的优化。但是，它的动力学仍然不如传统的固体电解质，限制了高效SSC的发展。与晶体材料相比，非晶材料由于其独特的局部环境，如随机锂位点和扩散通道，可能会促进离子动力学。

在这里，作者通过调节晶体结构来为固态锂氧电池创造平衡的气固态微环境，演示了具有新型Li-Ru-O复合材料的一体化电催化设计。通过RuO₂与LiOH的低温共烧结制备了具有明显增强电子离子传导动力学的非晶A-Li-Ru-O复合材料，该材料表现出出无序的远程结构和随机原子配位。与此同时，作者结合理论计算表明，Li-Ru-O复合材料具有多维扩散从而增强了锂离子和电子传导动力学。使用Li-Ru-O复合材料作为SSLOB的正极，作者发现该复合材料在放电过程中加速了LiO₂的电化学转化，并且在氧析出过程中促进了Li₂O₂分解，具有很高的放电容量，在100 mAh g^-1电流下实现了15219 mAh g⁻¹的容量，并且具有低的放电/充电过电势（1.2V）。该电池在200 mA g^-1的电流下，固定容量为500 mAh g^-1，最终实现了81圈的循环。

总之，作者证明了具有非晶结构的Li修饰的RuO₂促进了电子-离子传输，有利于固态电极中的气固接触界面，以提供出色的电化学反应动力学。该研究强调了结构-性质关系的重要性，这将成为开发高性能SSLOB的可靠指南。

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