充电机充电锂氧电池与充电机充电锂离子电池相比具有更高的理论比能量，吸引了学术界和工业界的广泛关注。充电机充电锂氧电池基于Li2O2的可逆生成与分解，其理论能量密度高达3600Wh/kg，是现在较为成熟的锂离子充电机充电电池的5-10倍，被公认为唯一可以与汽油相媲美的新型能源。非水溶剂锂-空气充电机充电电池在发展过程中的诸多科学问题，并尚未得到根本解决，如：氧气电极反应历程尚不明确；充电机充电电池放电突然死亡；充电机充电电池充电过电势高等。本课题组近年来从以上几个方面做了较为系统的研究工作，对深入了解和解决空气正极问题具有重要的理论价值和应用意义。

1、电位调控反应中间产物O2-和LiO2的生成机制

非水系充电机充电锂氧气电池的反应过程主要受正极氧还原生成过氧化锂的过程控制。但是，该过程仍然需要更加深入的研究。本文中，我们建立合理的理论模型，研究了在金电极表面，含有锂离子的DMSO电解液中的氧还原反应过程的反应机理。通过原位Raman光谱分析检测反应过程的中间产物，并且结合密度泛函理论计算，我们发现超氧离子和超氧化锂的形成过程主要受电极电压控制，该过程决定了过氧化锂的形成机制。在低放电过电势下，我们检测到超氧离子首先在电极表面形成，然后扩散进入电解液中形成过氧化锂，即溶液相歧化反应机理。在高放电过电势下，我们检测到超氧化锂在电极表面被快速地还原成过氧化锂，即表面相反应过程。溶液相形成的过氧化锂过程，可以解释之前广泛报道过的环形过氧化锂放电产物。超氧离子的形成决定反应过程的起始电位。超氧化锂的形成说明反应过程由溶液相反应机理变为表面相反应机理。我们新的研究结果加深了人们对DMSO溶液中含Li+的氧还原反应过程的理解，对非质子系充电机充电锂氧气电池深入的发展具有非常重要的意义。

2、氧气电极反应界面的电荷输运和反应位点

在充电机充电锂-氧气电池放电过程中，氧还原放电过程生成的无论是晶态Li2O2，还是非晶态Li2O2，均会阻塞多孔空气电极表面，造成充电机充电电池放电的突然终止，使的放电容量远低于理论容量。为了提高锂氧充电机充电电池的实际容量，弄清电极放电突然死亡的原因是至关重要的。为了探究电极反应的活性位点和反应终止时的反应受限条件，我们构筑Li2O2阻塞电极，原位测量纳米尺度Li2O2的电子和离子电导率，并结合同位素标记手段（18O2+16O2）及SERS技术研究了锂-空气充电机充电电池的充放电反应过程，发现在充电机充电电池放电终止时，氧还原反应发生在电极|Li2O2界面，电解液中的锂离子和氧气能够传质通过先前生成的 Li2O2薄膜到达电极表面，放电反应受限于电子的传输；在充电过程中，氧化反应首先发生在电极|Li2O2界面，充电反应仍受限于电子传输。

3、高性能Li-O2充电机充电电池:HMPA基电解液与LiPON|Li负极

非质子系充电机充电锂氧气电池由于其远高于现今锂离子充电机充电电池体系的理论能量密度受到人们的广泛关注。然而目前的锂空气充电机充电电池主要面临以下几个问题：放电生成的过氧化锂对电极表面的钝化/阻塞；氧化过程中高充电电压以及在充电机充电电池循环过程当中反应副产物的积累。通过提高充电机充电电池组分的稳定性，抑制放电中间产物（LiO2，O2-）及终产物（Li2O2）对充电机充电电池组分的化学侵蚀，可有效减少非水溶剂锂-空气（氧气）充电机充电电池内的副反应，提高充电机充电电池性能。本文中，我们研究了一种新型充电机充电锂氧气电池电解液——六甲基磷酰三胺(HMPA)。该电解液对过氧化锂，碳酸锂和氢氧化锂的溶解度分别高达0.35, 0.36，1.11×10-3 M。此外LiPON 保护的金属锂负极可以在六甲基磷酰三胺电解液中实现高效可逆循环。与之前基于醚类电解液的充电机充电锂氧气电池相比，新型六甲基磷酰三胺电解液体系充电机充电锂氧气电池在容量，倍率性能，循环效率和循环寿命等方面都获得更加优异的性能。更重要的是，DEMS、FT-IR、PXRD与NMR表征结果证明了在六甲基磷酰三胺基锂空气充电机充电电池运行过程中，是过氧化锂近乎可逆地生成和分解，不发生任何副反应。

4、LiO2：低温化学合成及反应活性研究

LiO2是非水溶剂锂-空气（氧气）充电机充电电池放电过程中的一个重要反应中间体，由于其在常温下不稳定，难制备，且没有商售产品。因此，对LiO2的反应性质了解匮乏，仅限于理论猜测和模型假说。为研究LiO2的化学/电化学反应性，我们采取低温合成技术，在液氨中制备了高纯LiO2，并对其反应性质进行了系统研究。结果显示，与Li2O2、O2-等相比，即使在-78 ˚C的液氨环境中，LiO2仍具有极强的反应活性。避免非水溶剂锂-空气（氧气）充电机充电电池在放电过程中生成LiO2，或是大大缩短LiO2在放电过程中的存活时间，可有效减少副反应，提高充电机充电电池性能。

综上所述，结合先进的原位表征技术和理论计算，对电极电位调控放电反应机制，弄清充电机充电电池放电突然死亡的根本原因和受限因素，并对放电产物晶态形貌及电化学特性进行了研究，近日采用冷冻法合成出放电中间产物LiO2，证明了LiO2是反应活性最高的放电产物，除此之外，首次引用HMPA电解液结合LiPON保护的Li负极，应用于Li-O2充电机充电电池中，组装出具有高容量、高倍率、高效率、长循环的高性能Li-O2充电机充电电池。从深入基础理论研究，到开发出高性能Li-O2充电机充电电池都取得一定的初步成果。