鋰-氧電池的理論比能量(~3458 Wh/kg)遠高于現有的鋰離子電池的理論比能量，是下一代儲能系統的理想選擇。然而，目前可用的非質子型Li-O2電池通常表現出差的循環穩定性，這與有機電解質被陰極形成的高度氧化自由基所分解有關。為了解決這一問題，近年來研制出了用穩定的陶瓷電解質代替有機電解質組成的固態陰極。然而，由于放電產物Li2O2中電子/離子傳輸能力較差，且沒有液體介質供Li2O2生長，固態陰極中Li2O2粒子的生長受到限制(厚度低于50 nm)。因此，采用固態陰極的Li-O2電池的容量必然受到限制。克服固態陰極中Li2O2粒子生長受限所造成的容量限制的一種方法是提供有利于放電產物生長的條件。
三星綜合技術院Sang Bok Ma等人首次報道了一種有效的策略，通過引入無碳陶瓷陰極材料和基于LiOH的反應化學，同時提高固態Li-O2電池的容量和可逆性。作者設計了一種電子和離子導電的釕基復合材料(RBC)作為固態陰極，以消除導電碳的寄生化學反應。此外，通過添加水蒸氣來誘導基于LiOH的反應化學，可以提高Li-O2電池容量。
通過電化學和陰極結構分析，包括O的K邊XANES光譜的測量，證實了水蒸氣輔助陰極反應中LiOH作為放電產物的形成和生長。因此，在Li-O2電池中，對氧氣進行加濕(4 wt%)時，陰極的比容量為200 mA/g時，電池的放電/充電循環圈數可達665圈，而現有的陰極僅能在50 mA/g下循環~100圈。
相關工作以《Carbon-free high-performance cathode for solid-state Li-O2 battery》為題在《Science Advances》上發表論文。
在固態電池用的O2氣體中加入水蒸氣，可以有效地向陰極提供水分子，使放電產物由生長受限的Li2O2轉變為易于生長的LiOH。可以推測，水蒸氣對Li-O2電池的性能有三個重要的影響。
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水蒸氣的第一個作用是增加容量。由于大量的可生長放電產物(LiOH)可以容納在陰極表面及其孔隙內，因此可以獲得比傳統的基于Li2O2的電池更高的容量。
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第二是提高放電電壓。水蒸氣在3.4 V時能誘導LiOH的電化學生成，而在2.96 V無水蒸氣時則能誘導Li2O2的電化學生成。
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第三是增強動力學。放電產物LiOH可以作為Li+離子導體，提高了鋰離子的倍率性能。
因此，可以預期，添加水蒸氣可以顯著提高固態鋰-氧電池的能量密度。此外，可分解的碳質材料也在陰極被完全排除，可以提高電池的長期循環穩定性。
通過結合RuO2(電子傳導催化劑)和La2LiRuO6-δ(含Li催化劑)，這些組分在LiOH基反應化學中具有高導電性和電催化活性，從而開發了一種含有Ru(IV)離子的Ru基復合材料(RBC)，作為固態鋰-氧電池的陰極材料。RuO2是一種窄帶隙的電子導體(圖2A)，是氧氧化還原反應的催化劑。La2LiRu(IV)O6-δ鈣鈦礦也具有窄帶隙(圖2B)，也具有較高的電子導電性。此外，鈣鈦礦中的Ru離子還可以作為氧氧化還原反應的催化中心。圖2C顯示，合成的RBC的XRD譜圖顯示出四方RuO2結構和單斜晶鈣鈦礦La2LiRuO6結構。這些結果證實了RBC的成功合成。
通過分析Ru的K邊XANES光譜來分析Ru在RBC中的氧化狀態。RBC和RuO2具有相似主吸收邊能，表明它們具有相同的平均氧化態+4.0。這說明RBC中的La2LiRuO6-δ也由Ru(IV)離子組成。
通過循環伏安法(CV)研究了RBC在1 M LiTFSI中的電化學穩定性。如圖2F所示，CV曲線上沒有明顯的氧化還原電流峰，說明RBC在2.2~4.5 V的電壓窗口內穩定。這與Ar氣氛下使用RBC陰極的固態Li-O2電池的CV結果一致。因此，根據觀察到的電導率和RBC的穩定性，可以得出結論，它適合用作陰極材料。
電池是在加濕的O2中進行測試，在純O2中加入4 wt %的水蒸氣。為了闡明添加水蒸氣的影響，在有/無水蒸氣的O2氛圍中對陰極進行了CV測量。如圖3A顯示，在干燥O2中未觀察到氧化還原特征峰。與此相反，在加濕的O2中，在3.0 V(還原)和3.5 V(氧化)時出現明顯的氧化還原峰，表明陰極內的反應被水蒸氣所活化、促進。
圖3B顯示了鋰-氧電池在10 mA/g恒電流密度下的典型充放電曲線。在非質子Li-O2電池中，水蒸氣存在時的放電電壓平臺(~3.0 V)高于Li2O2生成的實際電壓(E0=2.96 V)。這可能與水輔助氧還原反應產生LiOH (E0=3.4 V)作為放電產物有關。
采用了軟XAS光譜來研究水蒸汽輔助陰極反應。圖4A顯示了在不同的放電過程階段制備的陰極的O的K邊 XANES光譜。在陰極近表面(5~10 nm)，甚至在初始放電階段也能觀察到與LiOH相關的吸收特征峰。這表明，鋰-氧電池在加濕的氧氣中進行的陰極反應轉變為在水存在下、基于LiOH的反應化學。
圖4B為陰極在不同狀態下的XRD譜圖。在放電狀態下，陰極在21.4°、30.1°、33.6°和36.9°處出現衍射峰，可歸為LiOH·H2O，再次證實LiOH是由Li2O2水化、形成的。此外，利用SEM分析了陰極在原始、放電和充電狀態下的形貌，確定了放電產物的分布，進一步證實了陰極反應的高可逆性。
圖5A顯示，鋰-氧電池在截止容量為100、150和200 mAh/g時表現出高度可逆的放電/充電行為，放電和充電之間的電壓間隙為1.1 V，能量效率分別為73.3、72.5和72.6%。圖5B所示為在截止容量為200 mAh/g下，鋰-氧電池的長期循環后充放電曲線圖。在循環665圈后，放電電壓平臺為~3.1 V，表明LiOH的形成在長期循環過程中持續發生。在循環過程中，平均充電電壓保持在4.3 V以下，表明該陰極具有良好的穩定性和催化活性。
圖5C顯示，當比容量分別為100、150和200 mAh/g時，電池的循環性能分別達到984、807和665圈。與典型的基于Li2O2的陰極反應相比，由于放電電壓的提高和穩定的充電行為，所有電池在長期循環過程中具有較高的能量效率(平均75%)。
Carbon-free high-performance cathode for solid-state Li-O2 battery，Science Advances，2022.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm8584
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