成果简介
锂空气电池（LABs）以其超高的能量密度和解决迫在眉睫的能源和环境挑战的潜力，为未来的能源存储提供了一种前景广阔的解决方案。锂-空气电池遇到的耐久性和稳定性问题的主要原因是空气阴极中 Li2O2 复杂的生成和分解过程。这些问题不仅仅与催化效率低有关；相反，在露天环境下，充放电可逆性受限以及副产品的产生会使问题更加严重。此外，固相电催化剂的功能仍存在争议，尤其是在涉及锂2O2 生成时。这使得寻找高效空气阴极材料的工作更具挑战性。自 1996 年问世以来，碳一直是推动锂电池技术发展的关键，并加深了我们对其机理和应用的理解。
本文，韩国仁荷大学Seul-Yi Lee、Soo-Jin Park等研究人员在《Energy Storage Materials》期刊发表名为“A Comprehensive Review of Carbon-Based Air Cathode Materials for Advanced non‒aqueous Lithium‒Air Batteries”的综述，探讨了用于 LAB 的碳材料和化学方面的进展，重点关注结构特点、电化学行为和机理认识。空气阴极材料分为碳纳米管 (CNT)、碳纳米纤维 (CNF)、石墨烯、生物废料衍生碳和金属有机框架 (MOF) 衍生碳。此外，综述还评估了这些碳基空气阴极材料的设计、合成策略和电化学性能。本综述还探讨了氧选择膜 (OSM) 作为一种潜在的解决方案，可用于减轻环境空气中 H2O 和 CO2 的不利影响，这些不利影响会导致形成 Li2O2，并与露天系统中的电解质和锂阳极发生反应。总之，本综述探讨了锂电池目前面临的挑战，并强调了该领域进一步研究和开发的潜力。
小结与展望
总之，本综述研究讨论了用于 LAB 的纳米碳基空气阴极材料。碳材料，如 CNT、CNF、石墨烯、生物废料纳米多孔碳和 MOF 衍生碳已被广泛研究用于 LAB 应用。它们具有导电率高、SSA 大、孔隙率可调、供应充足和成本低廉等特点，是 LAB 理想的空气阴极材料。
1.基于 CNTs 的空气阴极： 基于 CNT 的空气阴极具有巨大的 SSA、优异的导电性和强大的催化能力，因此适用于 LAB。它们能提供更好的电池耐久性和优化的 ORR 动力学。然而，在实际应用中必须解决可扩展性、经济性和长期稳定性等问题。
2.基于 CNFs 的空气阴极：基于 CNFs 的空气阴极具有独特的结构特性，特别是其巨大的孔隙率和交织的网络，为 LABs 带来了巨大的前景。它们能促进氧气的有效利用和运输，从而增强 LAB 的耐久性。未来的研究应侧重于改进 CNFs 合成技术，以进一步提高 CNFs 基阴极在具有挑战性的操作条件下的稳健性。
3.石墨烯基空气阴极：石墨烯基空气阴极具有优异的刚性、无限的 SSA 和卓越的电性能，非常适合用于 LAB。它们可以实现有效的 ORR 和 OER 操作，从而提高电池的复原力和生产率。尽管如此，要充分发挥石墨烯在商业电池技术中的潜力，还需要进一步研究石墨烯聚集、阴极耗竭和电解质兼容性等问题。
4.生物废料衍生碳空气阴极：从生物废弃物中提取的碳材料为 LAB 中的空气阴极提供了一种可行且环保的替代方法。使用生物质废弃物作为碳生产的起始材料具有经济和生态效益。此外，生物衍生碳具有广泛的外观化学性质和微观结构，可为特定的实验室应用量身定制。未来的研究重点应放在简化生产流程、提高材料性能以及评估生物废料碳空气阴极的生态可持续性和长期功效上。
5.MOF 衍生碳空气阴极：由 MOFs 衍生的碳空气阴极为实验室创新提供了一条前景广阔的途径。它们具有独特的结构和可定制特性，可显著提高电池效率，增加能量密度和耐用性。但是，还需要进一步的研究和开发，以完善制造技术，提高导电性，并解决与长期可持续性和经济性相关的挑战。对基于 MOF 的碳阴极的持续研究与合作，对于释放 LABs 的全部潜力以及为子孙后代推进绿色、可靠的储能技术至关重要。
为提高 LABs 的有效性和长期可行性，还有望取得进一步发展，包括制造增强型空气阴极材料，如石墨烯、CNT 和 CNF。多学科研究对于应对重大挑战和推动该领域的创新至关重要。需要进一步研究的重要领域包括
1.材料设计与合成：开发适合空气阴极应用的具有定制微结构、表面化学性质和孔隙率的碳材料，需要进一步研究创新的制造技术。
2.性能优化：为提高 LAB 的能效和循环寿命，应重点改善碳基空气阴极的电化学性能，尤其是 ORR/OER 性能、稳定性、电导率和传质特性。
3.可扩展性和成本效益：要确保碳基空气阴极能以合理的成本大量生产，使其在工业规模的储能应用中具有经济可行性，就必须建立通用的生产方法。
4.环境可持续性：使用环境友好和可再生的碳资源（如生物质废料）将减少对环境的影响，并促进电池组件制造的循环经济。
对 OSM 的进一步研究应优先考虑以下关注领域：
深入研究用于 LAB 的各种聚合物和无机膜的疏水特性，可以发现有多种疏水选择。但是，需要对这些膜是否适用于 LAB 进行彻底检查。在聚合物膜中加入纳米颗粒可增强其斥水特性，从而提高其在锂空气电池中的适用性。聚合物膜的结构属性通过纳米粒子的整合得到了完善，从而可能影响锂空气电池的电化学效率。考虑到现有膜的范围，优化电解质和阴极至关重要。LAB 的效率因所使用的特定电解质和催化剂而异。因此，必须用不同的膜对多种电解质和催化剂进行评估，以确定特定应用的最佳组合。使用不同的膜模拟 LAB 效率可提供有价值的见解。考虑到在实验室中合成和评估膜的高成本和劳动强度，为配备膜的 LAB 的电化学性能构建一个精确的预测模型是非常有利的。
为了充分挖掘 LABs 作为高能量密度和环保型储能解决方案的潜力，使其广泛应用于从手持设备到电动汽车和电网规模的储能系统，进一步研究和开发碳基空气阴极材料至关重要。
文献：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103874
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