盖世汽车讯 据外媒报道，哈尔滨工业大学（深圳）和德国美因茨大学（Johannes Gutenberg University Mainz）的研究人员共同开发出一种双功能催化剂材料，针对锂氧气电池（Li-O2 battery）开发过程中的两大缺陷提供了解决方案。

（图片来源：sciencedirect.com）

锂氧气电池的能量密度可达传统锂离子电池的10倍以上，使其成为电动汽车和大型储能装置的有吸引力选项。然而，该技术面临关键挑战，包括阴极反应动力学迟缓和锂金属阳极的不稳定性。这些问题导致电池容量快速衰减、过电位过高以及危险的枝晶的生长。

虽然先前的研究在阴极或阳极方面取得了进展，但仍未找到系统性解决方案。此外，常见的放电副产物（如Li2O2和Li2CO3）极易堵塞孔隙，从而降低电池的整体性能。要解决这些长期存在的难题，需要开发适用于全电池体系的新材料与协同策略。

在这项研究中，研究人员提出一种低负载镍原子催化剂（Ni2–N/rGO），既可提升阴极反应效率，又能保护锂金属阳极。这种协同策略不仅提高了能量效率和循环寿命，更揭示电荷传输与锂沉积行为的关键机理，有助于实现实用化、高性能锂空气电池。相关论文发表于期刊《eScience》。

该团队设计了分散在氮掺杂还原氧化石墨烯（rGO）上的原子级镍位点，包括单原子和纳米团簇。这种名为Ni2–N/rGO的材料在氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）中均表现出优异的催化活性。

与传统阴极相比，这种新设计实现了超过16,000 mAh g-1的放电容量，并在200次循环后仍保持性能稳定。密度泛函理论（DFT）模拟表明，相邻镍原子位点可增强LiO2吸附能力，并降低Li2O2击穿的能垒，从而使过电位降至仅1.08 V。

Ni2–N/rGO不仅具备催化功能，还可作为锂金属阳极的保护涂层。施加这种涂层，能显著降低枝晶形成与表面腐蚀。即使在高电流下，仍可保障电池运行300次循环。

显微镜和阻抗光谱证实，该保护层保留了其结构，并支持锂离子平稳迁移。通过微分电化学质谱仪（DEMS）和X射线光电子能谱（XPS）进行的进一步分析表明，该催化剂能够促进可逆反应，且不会产生有害的副产物。

通过解决两个电极上的关键问题，这种多功能材料展示了如何通过原子级工程突破锂空气电池的性能界限。双功能Ni2–N/rGO 催化剂为锂空气电池设计中长期存在的瓶颈问题提供了可扩展与多功能解决方案，其能够减小极化、抑制枝晶并支持高倍率循环，有望加速新一代电池在电动汽车、便携设备及电网储能系统中的应用。

更深远的意义在于‌，这项研究采用的原子级材料设计、多功能性和协调电极工程，或将影响催化、电化学和材料领域的未来发展。未来研究将聚焦于改进合成方法、降低成本，以及将这种该材料应用于其他能源技术。