综述：将催化技术整合到可充电电池中的新兴机遇与进展

《CHINESE CHEMICAL LETTERS》：Emerging opportunities and advances in integrating catalysis into rechargeable batteries

可充电电池中电催化技术通过加速多电子反应动力学、提升电极可逆性及稳定电极-电解质界面，有效解决转换型与合金型电极材料性能瓶颈，为突破能量密度和循环寿命限制提供新路径。

　　

Xinyu Gu|Yifan Jiang|Rongrong Wu|Chenxin Cai|Yawen Tang|Peng Xiao|Hualin Ye

南京师范大学化学与材料科学学院，中国南京210023

摘要

对高性能储能系统的追求推动了人们大力发展具有更高能量密度、更快充放电能力和更长循环寿命的可充电电池。因此，转换型和合金型电极材料因相对于传统插层型材料具有显著更高的理论容量而受到了广泛关注。然而，这些材料的多电子反应路径本质上导致反应动力学缓慢和电化学可逆性差，严重限制了其实际性能。近年来，电催化作为一种关键解决方案应运而生，它通过加速反应动力学、提高反应可逆性和改善循环稳定性来应对这些挑战。除了电极反应外，电催化还能降低电解质的脱溶剂化能垒并稳定电极-电解质界面，从而最大化电池的整体效率。本文概述了将催化技术融入可充电电池的最新进展。首先，我们探讨了在正极上使用催化剂来加速电极氧化还原反应；接着介绍了在负极上出现的增强电化学可逆性的新型催化现象；然后强调了催化剂在电极-电解质界面在调控固态电解质界面形成、降低脱溶剂化能垒和调节电极反应路径中的关键作用；最后，简要回顾了如何更好地利用催化技术在未来可充电电池中的应用方向。

引言

随着化石燃料消耗量的增加以及碳排放和环境污染问题的加剧，清洁能源技术（如风能和太阳能）的发展得到了推动[1]。作为最有前景的储能解决方案之一，可充电电池已成为解决间歇性清洁能源供应波动不可或缺的一部分[2]。过去二十年里，对可充电电池的需求激增，全球产能大约每五年翻一番，从2009年的100 GWh增长到2024年的500 GWh[3,4]。这种能源市场的快速增长加速了更高能量密度和更具成本效益的可充电电池的研发[5]。尽管锂离子电池（LIBs）目前主导着储能市场，但其基于最常用正极（例如LiFePO₄、LiCoO₂和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂）和负极（例如石墨）的能量密度仅达到200?350 Wh/kg，远未达到Battery500联盟设定的500 Wh/kg的目标[6,7]。

为填补这一差距，过去几十年里人们一直在探索使用转换型和合金型电极材料（例如硫、氧、硫化锂、过氧化锂、硅、磷和二氧化锡）来替代传统的插层型电极材料[8,9]。这些材料由于多电子反应机制，通常具有显著更高的理论容量。例如，硫正极的理论容量约为1675 mAh/g，是传统插层型正极（例如LiFePO₄和LiCoO₂）的6-10倍，使得锂-硫电池的理论能量密度达到约2600 Wh/kg[10,11]；同样，作为代表性的合金型负极，磷的理论容量约为2596 mAh/g，几乎是商用石墨负极的7倍[12]。不幸的是，这些电极的多电子反应常常会产生一系列中间产物，从而增加反应障碍并减缓反应动力学[13]。使用催化剂来加速反应动力学是一种根本性的解决方案，在近年来已被广泛用于提高电池性能[14,15]。

除了电极材料本身的动力学限制外，其他限速过程（例如金属离子从溶剂化形式（例如Li(solvent)_x⁺和Na(solvent)_x⁺）脱溶剂化为自由离子（例如Li⁺和Na⁺）以及它们在固态电解质界面（SEI）上的扩散）也在决定电池性能方面起着关键作用[16,17]。例如，离子脱溶剂化步骤必须克服脱溶剂化能垒，这显著影响快速充电能力[18,19]。此外，SEI在电极表面形成的离子导电性和机械稳定性也是限制电池倍率和循环寿命的关键因素[19]。以往解决这些问题的方法主要集中在通过调整电解质盐类、溶剂和添加剂来定制电解质组成[20,21]。然而，这些方法往往需要大量的试错优化，并且可能不适用于不同的电极系统[22]。最近，“界面催化”概念在电极/电解质界面成为一种有前景的策略。它提供了一种更直接的方法来降低脱溶剂化能垒，加速离子脱溶剂化，调节SEI的形成以提高稳定性并改善离子导电性，甚至修改反应路径以促进更有利的动力学[[23], [24], [25]]。

在这两种情况下，引入催化剂都提供了一种替代且简便的方法来提升电池性能。鉴于此，近年来已在可充电电池中应用了多种高效催化剂。在这篇综述中，我们回顾了将高性能催化剂整合到可充电电池系统中的最新研究进展。我们根据可充电电池的结构组件（正极、负极和电解质）对催化策略进行了分类（图1）。首先，我们讨论了在锂-硫（Li–S）和锂-氧（Li–O₂）电池中广泛使用的正极催化，以加速电极反应动力学；其次，我们重点介绍了在高容量负极（例如SnO₂、SiO₂和磷）上观察到的新型催化现象[26]；第三，我们研究了电极-电解质界面处的界面催化的最新发展。最后，我们讨论了将催化技术融入可充电电池的机会和挑战，以及如何更好地利用催化技术。本综述旨在强调催化技术在电池研究中的关键作用，并为未来的电池开发激发更多多样化和创新的催化方法。

正极催化

锂-硫（Li–S）和锂-氧（Li–O₂）电池是数十年来被广泛研究的高能量存储技术之一[27,28]。由于Li–S电池中每个硫原子涉及2个电子转化反应，而Li–O₂电池中每个O₂分子涉及2个电子转化反应，它们的理论能量密度分别达到约2600 Wh/kg和约3500 Wh/kg[14]；这两者都远超过传统锂离子电池[28]。然而，这些多电子过程常常会产生一系列中间产物

结论与展望

总之，电催化在通过提高电化学性能来推动电池技术发展方面发挥着越来越重要的作用。过去几十年里，越来越多的研究将催化剂整合到正极（例如硫和氧正极）中以加速氧化还原动力学，整合到负极（例如SnO₂、SiO₂和磷）中以提高可逆性，以及整合到电极/电解质界面中以调节SEI的形成、降低脱溶剂化能垒和优化电极性能

CRediT作者贡献声明

Xinyu Gu：撰写——初稿，概念构思。Yifan Jiang：研究。Rongrong Wu：研究。Chenxin Cai：撰写——审稿与编辑。Yawen Tang：撰写——审稿与编辑。Peng Xiao：验证、资源获取、数据分析。Hualin Ye：撰写——审稿与编辑。