金属-空气（M-O₂）电池因其超高的理论能量密度而备受关注。然而，由于严重的电极副反应，它们的电化学性能距实际应用仍有较大差距。副反应程度可通过放电产物的产率反映，其中K-O₂、Na-O₂和Li-O₂电池的放电产物产率分别约为98-100%、90-95%和50-90%。过去，由于活性氧物种的强亲核性、碱性和自由基特性，M-O₂电池中的副反应通常被归因于此。然而，具有超高活性的KO₂可以可逆循环，意味着存在其他诱导副反应的途径。最近的报道表明，单线态氧（¹O₂）是Li-O₂和Na-O₂电池中副反应的主要原因。然而，¹O₂所带来的挑战尚未得到足够的关注。因此，迫切需要全面系统地讨论¹O₂形成机制及相应的抑制策略进行。只有对¹O₂相关的化学和电化学反应有更深入的理解，才能提出可靠的改进方案，推动M-O₂电池的实际应用。

图1 M-O₂电池中¹O₂主要的研究内容示意图

如图1所示，本综述总结了¹O₂的基本特性及其检测方法，包括直接的磷光检测和间接的化学捕获剂检测。详细讨论了M-O₂电池中¹O₂的形成机制。通常情况下，超氧化物中间体的化学歧化反应和过氧（超氧）化物的电化学氧化分解都有助于¹O₂的形成。此外，强调了电池关键组分和空气污染物对¹O₂的影响。在CO₂存在下，M-O₂电池中的产物可能从过氧化物转化为对应的碳酸盐，而碳酸盐的电化学分解会导致¹O₂形成。与电解质和电催化剂的作用方式类似，痕量水可以通过调节反应途径或超氧化物的溶剂化程度调控¹O₂的形成。因此，针对性地设计开发新型电解质或者对电极表面结构进行改性处理有望抑制¹O₂形成。进一步，对目前研究较为广泛的一些¹O₂抑制策略进行了深入讨论。最后，作者展望了¹O₂研究中存在的科学挑战和未来发展方向。

文章信息：Dou Yaying,·Xing Shuochao, Zhang Zhang, Zhou Zhen*. Solving the Singlet Oxygen Puzzle in Metal‑O₂ Batteries: Current Progress and Future Directions. Electrochem. Energy Rev., 2024, 7, 6.

文章链接：https://doi.org/10.1007/s41918-023-00201-w

作者简介

窦雅颖（第一作者），郑州大学化工学院直聘副研究员。2021年毕业于吉林大学凝聚态物理专业，获理学博士学位。同年8月加入郑州大学，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。主持国家自然科学青年基金项目、中国博士后面上项目等科研基金；近年来在Natl. Sci. Rev.、CCS Chem.、Electrochem. Energy Rev.、Energy Storage Mater.等期刊以第一/通讯作者发表论文十余篇。

周震（通信作者），郑州大学化工学院院长、二级教授、博士生导师。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究。通过高通量计算、机器学习与实验相结合开展新能源研究。在国内外期刊发表论文350余篇。论文被引用39000余次，h-index为112。2014-2022年连续九年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2022年连续五年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy and Environment等期刊副主编、Interdisciplinary Materials学术编辑、Journal of Power Sources机器学习专刊客座编辑以及Batteries & Supercaps和《电化学》等七本期刊编委以及中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员。