锂氧电池（LOB）因其高理论容量而备受关注，具有取代传统电池系统的潜力。长期以来，充放电过程中伴随的副反应以及放电产物过氧化锂难以分解的问题一直是锂-氧电池领域的重要难题。
在此，清华大学陈晨，北京师范大学袁萌伟、南彩云等人设计并合成了由Co₃O₄中空球负载的单原子Ta，将其用作正极催化剂。单原子Ta通过Ta-O-Co结构形成电子传输通道，从而稳定八面体Co位点，与反应中间体形成强吸附作用，最终生成高度分散的膜状过氧化锂。
此外，Ta-O-Co结构的形成能够降低催化剂表面的空位形成能，加速氧的活化并转化为超氧阴离子，促使强氧化性中间产物超氧化锂快速转化为过氧化锂，避免超氧化锂对电极和电解质造成氧化，减少副反应的发生，并抑制副产物碳酸锂的生成。基于此，该电池的过电位显著降低，电池的可逆性和循环稳定性得到改善。
图1. 电池性能
总之，该工作报道了一种由大比表面积Co₃O₄中空球负载单原子Ta的正极催化剂。结果表明，单原子Ta的引入通过Ta-O-Co结构形成电子传输通道，稳定八面体Co位点，提高过氧化锂的分散性，降低电极与过氧化锂界面处的阻抗，并促进其在充电过程中的分解。通过对活性位点结构和放电产物结构的表征发现，Ta-O-Co结构的形成显著降低了催化剂表面的空位形成能，加速强氧化性超氧化锂向过氧化锂的转化，避免了超氧化锂在体系中的积累，减少了副产物碳酸锂的生成。基于此，电池的过电位降低，可逆性和循环稳定性得到显著提高。因此，该工作为抑制LOBs的副反应并提升其性能提供了切实可行的方向。
图2. 机制探究
Atomically Dispersed Ta–O–Co Sites Capable of Mitigating Side Reaction Occurrence for Stable Lithium–Oxygen Batteries, Journal of the American Chemical Society 2025 DOI: 10.1021/jacs.4c16544
陈晨，清华大学化学系教授，国家杰出青年科学基金获得者，专注于无机材料、催化、新能源等研究；2011年博士毕业于清华大学化学系；2011-2014年于美国劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部从事博士后研究；后加入清华大学化学系历任副教授/教授。