近期，赵勇教授课题组在锂氧气电池领域取得新进展，相关成果以“Inhibition of Discharge Side Reaction by Promoting Solution-Mediated Oxygen Reduction Reaction with Stable Quinone in Li-O2 Batteries”为题，以全文形式在国际材料科学期刊（ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12, 9, 10607-10615）上发表。

 论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c01105

 锂氧气电池具有高达3500 Wh/kg的理论能量密度。然而，其依然面临循环稳定性差挑战，造成上述问题的一个主要原因是电池在放电的过程中产生LiO2中间体，其很容易形成膜状放电产物Li2O2。由于Li2O2电子电导率和离子电导率低，造成放电反应提前终止。此外LiO2中间体与容易电解液发生反应。

 电解液中引入液相催化剂可以调控锂氧气电池的放电反应历程，使电极表面催化O2还原反应转换为液相催化O2还原反应，延缓膜状放电产物Li2O2的生成过程，从而提升电池的放电容量。在这些液相催化剂中，醌类分子则较为特殊，其在催化氧气还原过程中的过程中不但充当电子转移的媒介，而且会生成较为稳定的RM-LiO2的中间体，从而减少副反应的发生。

 从锂氧电池的放电原理推测，这些醌类分子催化O2还原和电极表面催化O2还原是一个竞争过程。当醌类分子的还原电位较低时，其催化O2还原能力较弱，那么电极表面催化O2还原占主导过程，电极表面产生较多的LiO2中间体，这不仅导致膜状Li2O2生成，而且将会引发电极腐蚀或电解液分解；相反，当醌类分子还原电位较高时，O2在电极表面还原的可能性减小，而由电极表面催化O2还原产生LiO2可能性就会得到降低。然而，已报导的较好醌类催化剂DBBQ在醚类电解液中的还原电位仍然较低，并且其在较高的充电电位下容易发生电化学分解。因此，需要寻找一种稳定的醌类分子催化剂，在促进液相催化O2还原的同时抑制电极表面催化O2还原过程，从而实现锂氧气电池容量和循环稳定性的双重提升。

 在本研究中，使用苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-4, 8-二酮 (BDTD) 醌分子作为液相催化剂，来研究溶液催化O2还原和电极表面催化O2还原过程对锂氧气电池放电容量和稳定性的影响。BDTD分子催化氧气还原的半波电位和分子扩散系数分别为~2.72 vs Li+/Li和5.05×10-7 cm2 s-1，均高于DBBQ的相应参数 (2.67 vs Li+/Li和2.89 × 10-7 cm2 s-1)，从而确保了较高ORR反应速率。此外，BDTD分子无α-H，从而显示出较高的电化学稳定性。因此，与BDTD分子组装的锂氧气电池表现出高的放电电位和容量，以及良好的循环稳定性。

 (a) BDTD分子催化的液相氧还原过程 (由于BDTD较高放电电位及生成稳定的BDTD-LiO2复合结构，吸附的LiO2引发的副反应被抑制，锂氧气电池的容量和循环稳定性得到提升)；(b) 无液相催化剂加入情况下，电极表面催化的氧还原过程 (吸附态的LiO2导致膜状Li2O2生成，导致电池容量降低，并且也会引发电极腐蚀和电解液分解)。

 特种功能材料实验室博士生刘肖为论文第一作者，赵勇博士为论文通讯作者。本工作得到了中组部、国家自然科学基金委、河南省科技厅、河南省教育厅和河南大学的大力支持。