锂-空气二次电池因具有超高的理论比能量而成为储能器件领域的研究热点，然而放电中间产物不可溶的过氧化锂形成以及电解质消耗和电极副反应会使得电池性能逐步衰退，使其实际应用仍然面临很大的挑战。加拿大滑铁卢大学L. F. Nazar教授课题组对锂-空气电池的组成架构进行了重新设计，即合成新型的无机电解质以替代有机电解质，同时用镍/锂硝酸盐复合物正极替换传统的碳正极，有效地促进可逆放电产物氧化锂的产生，减少了副反应，使电池获得了高性能。研究人员首先配制了硝酸镍（NiNO3）和硝酸钾（KNO3）混合的无机熔融盐电解质，同时设计合成了Ni纳米颗粒负载的锂硝酸盐（LxNO2）正极Ni- LxNO2，随后与锂金属负极组合成完整的锂-空气电池。随后在150℃（氧化锂的分解温度）、2.6-3.5V电压窗口和0.1 mA cm−2条件下开展电化学性能测试，结果显示电池蓄电能力（即放电比能量）约为11 mAh cm−2，近20倍于传统碳正极有机电解质锂-空气电池（~0.5 mAh cm−2），可循环充放电上千次，经过150次充放电循环库伦效率高达100%，即充入电池中电量在放电时几乎100%都能够释放出来为电器所用。为了探究电池为何获得如此优异性能，研究人员对充放电中间产物进行了研究。首先对放电中间产物进行了X射线衍射谱（XRD）表征发现，放电中间产物出现了两个显著的特征衍射峰分别为34°和56°，对应氧化锂（LiO2）的（111）和（022）晶面；而拉曼谱显示在靠近800 nm的出现了特征峰，对应O-Li-O键，进一步证实了中间产物为LiO2；而当对充电后的产物进行同样的XRD测试后，发现特征衍射34°和56°完全消失了，表明放电产物LiO2完全分解了，没有沉积堵塞电极，即充放电反应高度可逆。研究人员进一步探究了运行温度对电池性能影响发现，当运行温度低于135℃，放电产物出现了过氧化锂（Li2O2），且会随着放电电流增长而增多。而当温度逐渐升高至150℃，Li2O2逐步减少直至消失。研究人员下一步将致力于探索新材料以降低电池的运行温度至室温环境。该项研究通过对锂-空气电池的正极和电解液精心改造，有效地克服了锂-空气电池电化学循环过程中的副反应，获得了优异的性能，为设计开发高效长寿命的锂-空气电池提供了新路径。相关研究工作发表在《Science》。
