锂氧气电池以其3500 Wh·kg^-1的理论能量密度而闻名，然而，广泛研究的非水系锂氧气电池在大电流密度和大容量下的循环性能有限，严重制约了其应用发展。这些限制包括其正极和负极侧遇到的关键挑战。锂负极表面锂离子的浓度分布不均和沉积差异导致锂负极多孔结构的形成，引发持续副反应，导致活性锂和电解质的持续损失。同时，低电导率的放电产物过氧化锂在正极上持续积累，逐渐引起电极钝化。放电产物分解困难不仅降低了能量转换效率，还会在高电压下产生副产物，从而缩短电池循环寿命。电解液中的多功能添加剂的设计是一种调控正负极反应，起到桥梁作用的有前途的方法。然而，在锂氧气电池的化学/电化学反应过程中，各种添加剂的消耗导致其有效性迅速下降，这一点不容忽视。

近日，长春应化所张新波团队研究了一种新型腈类添加剂2-甲氧基苯甲腈（2-MBN），来提高锂氧气电池的性能。该种添加剂具有全面的稳定性。在结构上，2-MBN的氰基缺乏不稳定的α-H，不容易被超氧自由基阴离子亲核攻击；2-MBN中的甲氧基具有电子屏蔽作用，降低了其与锂金属的反应性。在功能方面，2-MBN的引入促进了二甲基亚砜（DMSO）电解液体系的锂离子迁移，并调节了负极表面SEI组分，促进了锂负极界面稳定。在正极上，2-MBN放电过程中促进了低结晶度的片状过氧化锂产物的形成，这种产物可以在充电过程中低电压下的快速分解，即使在高电流密度下也能保持较高的能量转换效率。由于2-MBN的双功能作用，实现了锂氧气电池在600 mA·g^-1的电流密度和2000 mAh·g^-1的限定容量下稳定循环97圈的良好电池性能。

要点一：基于2-MBN基团结构特点，其对于高活性锂金属电极和高反应性活性氧物种均具有较好的稳定性，这为该种物质在锂氧气电池体系中发挥长效作用奠定基础。

要点二：2-MBN对锂金属电极的界面反应具有积极的调控作用：其调节了负极表面氮化锂等SEI组分，并促进了锂离子均匀沉积，提高了锂金属负极界面的稳定性，相比对照电解液体系实现了显著提高的对称电池性能。

要点三：2-MBN的引入调节了空气正极侧放电产物形貌，实现了传统DMSO电解液中圆饼状产物向低结晶性片状产物的转变，使得其可以在更低的充电电位下有效分解，这也有助于减少碳酸锂等副反应产物的形成。

要点四：得益于添加剂对正负极界面的双功能作用，在大电流密度和大容量限制条件下，实现了锂氧气电池性能的明显提升。

总的来说，这种腈类添加剂的引入，通过调控界面反应有效提高了锂氧气电池的综合性能。从更广泛的角度来看，2-MBN有效地抑制了传统的腈化合物对锂金属电极的反应性，并且该设计为在锂氧气电池中使用不同体系材料提供了新的可能性。

第一作者简介：

李紫微，吉林大学材料科学与工程学院博士生，中科院长春应用化学研究所联合培养，研究方向为锂金属空气电池电解质设计。

张新波研究员：中国科学院长春应用化学研究所研究员，博士生导师，稀土资源利用国家重点实验室主任，“高能化学电源与清洁能源材料”课题组组长。主要从事电池与电催化研究，已在Nat. Chem.、Nat. Synth.、Nat. Energy、Nat. Rev. Chem.、Chem、Joule、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊上以第一作者或通讯作者发表SCI论文200余篇，他引30000余次，论文引用H因子为96（截至2023年07月10日）。多篇论文被Nature和Science等期刊亮点报道，41篇论文入选ESI高被引论文，11篇论文被选为热点文章。在国内外专业学术会议作邀请100余次。入选中科院高层次人才项目，承担国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金“杰出青年科学基金”、“优秀青年科学基金”、国家“万人计划-科技创新领军人才”、科技部创新人才推进计划“中青年科技创新领军人才”等项目，获吉林省自然科学奖一等奖（第1完成人，2019年)、中国科学院优秀导师奖等。

刘通研究员：主要从事面向应用的超高比能电池研究，包括金属-空气电池、锂金属固态电池的关键材料与器件研究等。迄今发表学术论文40篇，包括Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater.,Small等。先后承担国家自然科学基金、广东省基础和应用基础研究基金，作为研究骨干参与国家重点研发新能源汽车专项、中科院战略先导（A类）专项等项目。

课题组长期招聘高能锂电、能源电催化等相关方向博士后、特别研究助理，诚挚邀请优秀人才加入！（简历可发送至邮箱tongliu@ciac.ac.cn）。

Li Z, Yu Y, Yang D, et al. A bifunctional nitrile additive for high-performance lithium-oxygen batteries. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6592-7.