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锂离子电池越来越无法满足消费电子设备轻薄化的需求,锂空气电池的比能量密度是锂离子电池的十多倍(3600 Wh kg-1 vs 300 Wh kg-1),因此成了全世界的研究热点。但目前锂空气电池还无法实现商品化应用,主要存在如下三个瓶颈问题[1]:空气中的氧气还原为电化学活性的氧离子速度慢,使得电池大电流充放电性能差,极化大,库伦效率低;空气中的二氧化碳和水汽会污染电池反应,生成不可逆的碳酸锂和氢氧化锂等副产品,使得电池效率差,同时会腐蚀金属锂负极,使得电池衰减快;电解液和放电产物过氧化锂发生反应,电解液分解,带来严重的稳定性问题;针对前两个关键问题,我们实验室最近合成了系列复合纳米催化剂,用于氧气还原反应,研究发现过渡金属合金纳米晶(Co-Ni,Cu-Ni,Cu-Ag)和尖晶石结构复合氧化物Cu Co2O4纳米晶(图1左)具有非常优异的催化氧还原活性,作为空气电池催化剂组装的锂空气电池,和传统的碳材料相比,其过电势大大降低(从1.46V降到0.95V),同时可逆比容量提高了30%[2](图1中)。同时我们充分利用金属有机框架(MOFs)材料(CAU-1-NH2:[Al4(OH)2-(OCH3)4(H2N-bdc)3]·x H2O)对二氧化碳的强吸附特性,以及聚甲基丙烯酸甲酯和聚多巴胺的良好疏水性,制备复合矩阵膜(图1右),具有氧分子高度选择性透过的特性。在空气电极外侧添加一层这种复合膜,可有效过滤空气中的二氧化碳和水汽对锂空电池的污染,大大提高了电池的稳定性,实现了真正的锂空气电池,而不是目前大多数报道的Li-O2电池[3]。因此通过制备高效氧还原催化剂和高度选择性氧透气膜两方面解决了目前锂空气电池存在的两个关键问题,可望开发出高效的锂空气电池。