盖世汽车讯 一辆无需充电即可完成长途旅行的电动汽车，以及无需降落即可连续飞行数小时的无人机——这些场景对储能的需求远远超出了锂离子电池的容量，而锂氧电池（LOB）长期以来一直被寄予厚望，有望弥补这一缺口。LOB的理论能量密度比锂离子电池高出十倍，有望彻底改变电动出行方式。然而，一个根本性的障碍阻碍了其商业化应用：众所周知，电化学氧反应速度慢、效率低，导致充放电过程中能量损失巨大。

图片来源：芝浦工业大学

据外媒报道，为了弥合这一差距，日本芝浦工业大学（Shibaura Institute of Technology，SIT）的Takahiro Ishizaki教授及其团队研究了通过构建异质结构复合催化剂能否克服LOB面临的最大障碍之一。研究人员开发了一种高效的双功能催化剂，通过将钙钛矿型氧化物镧钴氧化物（LaCoO3）与尖晶石型氧化物钴氧化物（Co3O4）均匀结合，能够加速控制电池性能的氧还原反应和析氧反应。相关研究成果发表在期刊《RSC Advances》上。

Ishizaki教授在解释这项研究的动机时说：“我们研究的根本动力源于阻碍锂氧电池（LOB）实现的关键动力学瓶颈，即氧气相关的电化学反应速度慢、效率低下。” 他补充道：“虽然钙钛矿型氧化物（LaCoO₃）和尖晶石型氧化物（Co₃O₄）本身就具有良好的催化性能，但将它们紧密结合形成一种专门针对锂氧体系的、结构明确的界面复合材料的研究却鲜有系统性探讨。我们着手解答的问题是：它们的协同作用能否突破单一材料的性能极限？”

为了探究这种可能性，研究人员采用可扩展的共沉淀法合成了LaCoO₃、Co₃O₄以及二者的复合材料。随后，他们利用包括X射线衍射、电子显微镜、X射线光电子能谱和电化学分析在内的先进表征技术，系统地比较了这些材料的结构和电化学性能。研究团队通过测量每种材料在充电过程中促进析氧反应以及在放电过程中促进氧还原反应的能力，评估了其作为双功能催化剂的性能。此外，他们还研究了导致催化活性的电子相互作用。

在所有合成材料中，复合催化剂表现出最佳的综合性能，其电位差仅为1.14 V，这是高效双功能催化的关键指标。值得注意的是，尽管该复合材料的电化学表面积在所有测试材料中最低，但仍实现了如此优异的性能。这一反直觉的结果表明，催化性能并非取决于活性位点的数量，而是取决于其电子结构的质量——这一发现从根本上挑战了传统的催化剂设计原则。此外，该复合催化剂在析氧反应中表现优于商业氧化钌，同时其氧还原活性也接近铂基催化剂。

Ishizaki教授表示：“这些发现最直接、最直接的应用在于开发用于下一代锂离子电池的高效空气阴极，最终可为长续航电动汽车和超长航时无人机提供动力，而这些设备所需的能量容量远远超过目前锂离子电池技术所能提供的。虽然城市空中交通仍是一个更长远的愿景，但这项工作是实现锂离子电池变革性潜力的关键一步。”

研究人员将这种卓越的性能归功于两种金属氧化物之间的协同作用，这种作用产生了大量的氧空位并优化了材料的电子结构，从而使氧反应更加顺利地进行。

除了锂氧电池（LOBs）之外，这种新开发的催化剂在多种清洁能源技术领域也展现出巨大的应用前景。由于它由非贵金属镧和钴组成，而非昂贵的贵金属，因此为未来的能源设备提供了一种经济高效且可持续的替代方案。其优异的析氧性能也表明其在通过水电解生产绿色氢气方面具有潜在的应用价值，尽管这方面仍需进一步研究。此外，其高效的双功能催化活性有望推动大规模金属-空气电池和可逆燃料电池的发展，从而用于存储太阳能和风能等可再生能源。

总而言之，这项研究为克服长期以来制约下一代电池技术发展的一大挑战提供了一种策略。“通过将充放电电位差大幅缩小至仅1.14 V，这种催化剂直接解决了长期以来阻碍锂氧电池实用化的氧反应动力学效率低下的问题，”Ishizaki教授表示。这些进展有望为更安全、更持久、更高效的储能系统铺平道路。