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摘要：研究团队采用碳材料“石墨烯中孔海绵体（GMS）”作为锂空气电池的正极，此外，在合成过程中GMS经过1800℃热处理，边缘位置被压碎，由此，其作为碳正极材料能够获得比传统碳纳米管或碳黑更优秀的耐久性。

关键词：锂空气电池、正极、石墨烯中孔海绵体（GMS）、边缘位置、劣化、寿命

研究小组发现了一种可延长锂空气电池寿命的新型碳材料正极。

锂空气电池的能量密度比现有锂离子电池高出数倍，有望成为下一代蓄电池，但是另一方面，锂空气电池的劣化比较严重，充放电循环性能较差。

锂空气电池劣化的主要原因包括碳正极材料的劣化、电解液的劣化和锂负极的劣化。为了降低碳正极材料的劣化，该研究小组进行了相关研究。

在锂空气电池的正极碳材料中，过氧化锂（Li₂O₂）在充放电过程中会不断析出和分解。这些Li₂O₂会作为氧化剂导致正极劣化，同时还会引起一系列的副反应，使电池逐渐劣化。

锂空气电池的劣化会随着正极电位的升高而加剧。因此，采用抗氧化性更好的碳材料作为正极材料，以及降低正极电位非常重要。

碳材料的劣化是从边缘位置（即由构成碳材料的石墨烯片段的边缘部位）开始进行的。因此，亟需一种不具备边缘位置的碳材料。然而，即便没有边缘位置，若其不含有纳米孔（Li₂O₂析出点），则无法发挥容量，也不适合作为正极材料。

边缘位置示意图

研究团队采用碳材料“石墨烯中孔海绵体（GMS）”作为锂空气电池的正极。GMS拥有多个7nm大小的气泡状纳米孔，采用其作为材料时可以达到6700mAh/g的高容量。

此外，在合成过程中GMS经过1800℃热处理，边缘位置被压碎，由此，其作为碳正极材料能够达到比传统的碳纳米管或碳黑更优秀的耐久性。

在1800℃的热处理过程中，相邻的边缘位置彼此融合在一起，形成C‒C键。在这一过程中，可以预期石墨烯中会引入碳的5元环和7元环（拓扑缺陷）。

本研究中，研究小组使用几何分析、结构形成模拟和拉曼光谱等方法，详细分析了拓扑缺陷的形成。此外，通过原子分辨率的电子显微镜观察，成功地证明了其存在。如下图所示，左图为GMS的结构模型，右图为原子分辨率的电子显微照片。

在GMS的拓扑缺陷中，非晶态的Li₂O₂纳米片被优先析出。在锂空气电池的充电过程中，非晶态Li₂O₂纳米片在比结晶态Li₂O₂颗粒更低的电位下分解。因此，使用GMS也可以降低正极的充电电位。

本研究结果将有助于解决锂空气电池所面临的一个问题，即降低碳正极材料的劣化。未来，通过解决剩余的两个问题（电解液的劣化、锂负极的劣化），以及不断推进锂负极和电解液的研发，可望近一步加速锂空气电池的商业化应用。

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采用石墨烯中孔海绵体的新型碳材料正极——可延长锂空气电池寿命