锂氧（Li-O₂）电池通过在固态正极骨架之外采用氧转化反应，克服了锂离子电池中的离子插层化学。然而，缓慢的动力学将实际放电电压限制在2.85 V以下，形成了"高容量、低功率输出"的两难困境，严重削弱了可实现的能量密度和功率密度。2026年07月17日，南开大学李福军、浙江大学陆俊团队合作在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“A CO2-Mediated Li-O2 Battery With 3.3 V Discharge Voltage”的研究论文。
该研究通过策略性地优化气体组成和催化结构，构建了一种CO₂介导的Li-O₂电池（CLOB），重新定义了氧的氧化还原化学，成功将放电电压提升至3.30 V，可与LiFePO₄基锂离子电池相媲美。O₂和CO₂被逐步还原，形成Li₂CO₄和Li₂C₂O₆中间体，并最终生成放电产物Li₂CO₃。这使双电极电化学电池中的平衡电压达到3.30 V。此外，该研究引入酞菁铁（FePc）作为可溶性分子载体以缓解动力学限制。所展示的基于FePc的CLOB具有3.30 V的优异放电电压，组装的软包电池容量达1.38 Ah，能量密度高达870.1 Wh kg⁻¹。该电压提升显著提高了能量输出，并为金属-气体电池的商业化提供了新范式。
电动汽车和便携式电子设备日益增长的需求推动了人们对高能量密度储能系统的追求。常规锂离子电池（LIB）基于离子插层化学运行，能量密度有限。尽管已探索利用正极中的晶格氧氧化还原来提高容量，但这往往会导致电极骨架稳定性受损。Li-O₂电池利用气态O₂作为反应物，消除了固态骨架的限制，实现了3500 Wh kg⁻¹的高理论能量密度。然而，常规Li-O₂电池的氧化还原化学仅限于生成过氧化锂（Li₂O₂，2Li + O₂ → Li₂O₂），理论电压为2.96 V，而实际放电电压通常保持在2.85 V以下。提高工作电压对于有效利用Li-O₂电池的超高比容量至关重要，因为能量密度由容量和电压的乘积决定；因此，工作电压的提升直接有助于提高整体能量输出。在现有的Li-O₂电池框架内进一步提高放电电压似乎是不可能的。重新定义具有新电池化学的氧化还原路径有望突破Li-O₂电池的热力学极限。
调控溶液相和表面介导的还原路径可以改变Li₂O₂的形成路径，从而影响放电电压。研究人员尝试通过调控催化剂和电解液组成，将放电产物从Li₂O₂转变为LiO₂、Li₂O或LiOH。这些策略能有效改善Li-O₂电池的电化学性能，但仍低于由Li-O键形成所决定的热力学2.96 V。从Li-O键化学向Li-O-C键化学的演变为拓展Li-O₂电池的氧化还原格局提供了新方向。在Li-CO₂电池中，CO₂被还原并通过多种碳氧中间体生成Li₂CO₃作为放电产物，然而实际放电电压仅维持在2.0 V左右。缓慢的CO₂还原动力学和Li₂CO₃的不良导电性抑制了可达到的电压，并限制了Li-CO₂电池的氧化还原可逆性。将CO₂引入Li-O₂电池可以改变氧还原路径以扩大容量并稳定锂负极。界面电荷传输效率低下导致严重的极化，从而造成放电电压大幅降低。精细调控反应路径中的中间体可能对Li-O₂电池的工作电压至关重要，并有可能突破该限制。
在此，该研究开发了一种新型CO₂介导的Li-O₂电池（CLOB），通过将CO₂引入Li-O₂电池中重新定义氧的氧化还原反应。研究人员采用原位表面增强拉曼光谱（SERS）和紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）鉴定了CO₂介导的氧还原反应（ORR）路径中的关键中间体。引入酞菁铁（FePc）以缓解CO₂和O₂耦合还原的动力学限制。这些创新使基于FePc的CLOB具有3.30 V的优异输出电压，可与LiFePO₄基锂离子电池相媲美，并且是迄今为止金属-气体电池中所实现的最高工作电压。 综上所述，该研究通过引入CO₂构建了新型CLOB，重新定义了Li-O₂电池中的氧还原化学。这种新型电池将放电产物从Li₂O₂转变为Li₂C₂O₆并最终生成Li₂CO₃，使整体吉布斯自由能变化更负，实现了3.3 V的超高放电电压。原位光谱分析揭示了CLOB中两条竞争性反应路径：常规ORR和CO₂介导的ORR。CO₂介导的ORR通过生成Li₂CO₄和Li₂C₂O₆中间体进行，但其效率受限于CO₂在电解液中缓慢的扩散。研究人员选择FePc作为CO₂的可溶性分子载体，因其具有强吸附能（-1.12 eV）。FePc中的Fe-N₄配位促进了CO₂和O₂的耦合还原，并稳定了新型CO₂介导ORR的中间体。基于FePc的CLOB被证明可实现3.3 V的超高且稳定的放电电压，并表现出优异的倍率性能和超过200 h的循环耐久性。组装的软包电池能量密度高达870.1 Wh kg⁻¹。该研究建立了一种高工作电压的新型气体电池，将推动其在高能量密度领域的广泛应用。