【研究背景】
一、实用高能量密度LAB的设计原理
典型的LAB由锂金属箔、隔膜、锂离子导电非水电解质、多孔碳电极和气体扩散层组成。在放电过程中，锂金属在负极被氧化，产生的电子通过外电路转移到正极，用于还原大气中的氧气，形成不溶性的Li2O2作为放电产物。在充电过程中发生相反的反应。基于LAB的总反应2Li+O2=Li2O2，假设放电平台为2.7V，放电比容量为1168 A h kg-1，可得到LAB的理论容量为3150 Wh kg-1。然而，由于实际LAB电池中存在电解质、隔膜和集流体等非活性成分，电池级能量密度与理论值相比显着降低。要估算LAB的实际能量密度，必须准确了解各种能量密度参数。
LAB的能量密度定义为放电过程中的能量输出量除以电池组件的总重量，如下所示：
图1
图2
二、具有实际高能量密度的LAB的关键技术
1. 多孔碳基正极的设计原理
2. 电解液注入技术
为了尽量减少LAB电池中电解质的数量，应定量控制碳电极孔隙中的电解质。理想情况下，多孔碳电极的表面应该被电解质完全润湿，以实现锂离子的有效转移。此外，电极中的空隙不应被电解质完全填满，以确保氧气从气体扩散层传输通道。然而，实际上，碳电极中的电解液分布是不均匀的，特别是当电解液量与电极孔体积的比值（即电解液体积分数）很小时。在这种情况下，放电过程中形成的Li2O2被隔离在电解质集中的区域，从而堵塞电极孔。因此，应采用合适的电解液注入技术以有效提高电池的性能。实际上，有几种电解质注入技术已被证明可以有效提高LAB的性能，例如“喷墨法”，它采用压电元件发射纳米级电解质液滴，以及“冲压法”,它使用两个高度亲水的过滤器作为电解质转移剂，使均匀分布的电解质转移到夹在它们之间的碳电极上。
3. 电解液性能评价
关于为LAB选择电解质，非水电解质是一种很有前途的溶剂，因为它具有宽的电位窗口和对电极和隔膜的高润湿性。尽管基于水电解质的LAB已被 道为替代候选物，但对水的高挥发性及其对锂电极的高反应性的担忧仍然存在。从挥发性的角度来看，离子液体和聚合物基电解质是有吸引力的；然而，它们的低电导率限制了LAB在室温下的实际电流密度条件下运行。
为了实现具有高实用能量密度的LAB的长循环，应尽量减少正负极的副反应，特别是要抑制电解液的分解。考虑电化学反应效率为95%且溶剂被单电子反应分解的情况，面积容量为4 mA h cm-2的情况下，仅在一次放电/充电反应中就分解了0.6 mg cm-2的溶剂。如果电解液的初始量为20 mg cm-2(E/C=5 g A-1 h-1)，则电解液的分解量相当于6%。在这种情况下，估计所有溶剂在短短35次循环中就完全分解。这一结果揭示了抑制副反应的重要性。此外，在高能量密度设计的LAB中，电解液的量受到严格控制，因此也应认真考虑挥发问题。因此，在实验室研究中，电解质（溶剂、氧化还原介质）的性能不仅应通过常规的放电/充电测试来评估，还应通过电极反应的反应效率来评估。此外，量化重复放电/充电循环后电池中剩余的电解液量也很重要。这些信息对于在实际电池水平上正确预测LAB的循环性能至关重要。
4. 实验室贫电解质面临的挑战
为了在电池水平上实现具有实际高能量密度的LAB，应考虑到有限电解质条件，即所谓的“贫电解质”所特有的问题。最近几年人们已逐渐认识到在贫电解质系统中研究锂负极的重要性。即使是氧正极的反应，也存在稀电解质系统的特殊问题。例如，应考虑与过氧化锂的可逆形成/分解相关的多孔碳电极内部电解质的移动。实际上，在严格限制电解液量的情况下曾经有人 道过一种独特的电池失效机制-在充电过程的初始阶段过电位突然增加。一种可能的解释是放电过程中过氧化锂的形成导致电解质从多孔碳电极物理挤压。即，过氧化锂在充电过程中分解，电解质被推出并且没有完全返回到多孔碳电极。考虑到减少电解质用量对于实现具有高实用能量密度的LAB的重要性，对这种现象的理解非常重要，因此研究者们应该采用先进的分析技术来加深对这种降解机制的理解。
5. 多层叠电池
图3
从实用的角度来看，多个LAB电池必须密集堆叠，类似于传统的LiB，以实现电池级的高能量密度。在这种堆叠情况下，需要适当的电池配置以确保氧气可以通过气体扩散层有效地穿过整个正极（图3a）。事实上，制造的4 cmx5 cm大小的10个电池堆叠LAB表现出稳定的放电/充电性能，其中有效电池面积为200 cm2，是传统硬币型电池（S= 2 cm2）的100倍（图3b）。在纽扣电池中，氧气从正极的顶部供应。在堆叠电池配置中，氧气需要在气体扩散层中沿水平方向传输。然后，氧气需要进一步向垂直方向输送，才能穿过整个正极。对于实验室的实际实施，气体扩散层的发展非常重要，它实现了有效的氧气传输。气体扩散层的性能应在合适的电池配置中进行评估，其中只允许通过气体扩散层的水平方向供氧。尽管已经 道了LAB中氧传输现象的基于模拟的研究，但尚未确定气体扩散层的理想材料特性和配置，需要进一步研究。
总结与展望
Shoichi Matsuda, Manai Ono, Shoji Yamaguchiab, Kohei Uosaki, Criteria for evaluating lithium–air batteries in academia to correctly predict their practical performance in industry, Materials Horizons, 2021, DOI:10.1039/d1mh01546j
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