在传统化石能源不断消耗和环境污染日益加剧的时代背景下，发展低成本、高稳定性、高能量密度的储能技术势在必行。锂-氧气(Li-O₂)电池因其超高的理论能量密度而备受关注。然而，由于放电产物Li₂O₂电子绝缘和难以溶解的本征属性，沉积在电极表面的Li₂O₂会阻碍后续的氧还原过程，使得Li-O₂电池的实际容量远低于其理论值。可见，提高该体系放电容量和倍率性能的关键在于避免Li₂O₂的表面沉积行为。

可溶性氧化还原介质(RM)可实现氧气的溶液路径还原。然而，由于O₂在电解质/电极界面的溶解/吸附行为，一些膜状Li₂O₂不可避免地沉积在电极表面。不仅会减少正极表面活性位点，而且不利于RM催化效用的发挥。考虑到RM在电解液中较低的添加浓度，深刻理解RM参与的氧还原反应机制，阐明影响RM催化活性的关键因素，对于优化和设计高催化效率的RM至关重要。

图1 VK1和DBBQ参与的氧还原过程示意图

为深入研究RM参与的氧还原过程，研究团队选择了两种醌类RM，维生素K1(VK1)和2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(DBBQ)。结合第一性原理计算和系统的实验探究发现，相比于DBBQ，VK1处于还原态时表现出更强的氧气亲和能力，从而有效抑制了Li₂O₂薄膜在电极表面的沉积，保证电极表面有足够的电子转移活性位点供RM发挥催化作用。此外，该体系的反应中间体Li(VK1)O₂歧化成Li₂O₂的反应自由能更低，使得VK1分子可以被快速循环利用。因此，VK1催化的Li-O₂电池实现了更大的放电容量和更好的倍率性能。本工作为深入理解RM在Li-O₂电池中的工作机制提供了新的见解。

该成果由郑州大学化工学院窦雅颖博士作为第一作者完成，张彰副教授与周震教授为共同通讯作者。该工作得到了先进能源材料化学教育部重点实验室支持和国家重点研发计划项目资助。论文发表于J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 7801.  https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c01818.

第一作者简介：

窦雅颖：河南平顶山人，2021年毕业于吉林大学凝聚态物理专业，获理学博士学位，2021年8月以直聘副研究员身份入职郑州大学化工学院。主要研究方向为金属空气电池，涉及反应机理揭示、高效催化剂设计、催化机理探究等方面。以第一作者在Natl. Sci. Rev.、Energy Storage Mater.、Chem. Eng. J、J. Mater. Chem. A和J. Phys. Chem. Lett.等国际期刊上发表SCI论文6篇。