金属空气电池研究方向

以金属为负极、空气为正极反应物的下一代高比能储能体系（如锂-空气理论比能达～3500 Wh kg⁻¹）。我们围绕催化、分子介质与器件工程协同攻关，显著降低过电位、提升循环稳定与能量密度。

金属-空气电池因超高理论能量密度而备受关注，典型体系包括锂-空气、钠-空气与锌-空气电池。其实际应用仍受制于充放电极化大、放电产物可逆分解效率低以及电极/电解液界面不稳等关键难题。我们从“材料—分子—器件”三层协同出发：开发高效空气电极催化剂，设计液相氧化还原介质以优化界面动力学，并通过结构与界面工程打造高能量密度器件，系统提升综合电化学性能。

方向一空气正极催化剂的结构调控与机制

金属-空气电池的瓶颈集中在正极表面的氧还原/析氧（ORR/OER）缓慢与不可逆。我们通过晶格修饰、缺陷工程与异质界面构筑等策略，建立“微观结构—催化性能”构效关系，制备兼具高稳定性、高比表面积、良好导电网络与丰富活性位点的多功能催化剂，为高性能空气电极的理性设计提供依据与路径。

要点：

●构建缺陷/应变/异质界面，提升活性位点密度与电子/离子传输；

●解析ORR/OER中间体吸附与反应路径，降低过电位；

●建立从原子尺度到电极尺度的跨尺度机制模型，指导材料迭代。

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1. Si-Wen Ke, Wei Li, Yuming Gu, Jian Su, Yifan Liu, Shuai Yuan, Jing-Lin Zuo^*, Jing Ma^*, Ping He^*,Covalent Organic Frameworks with Ni–Bis(dithiolene) and Co–Porphyrin Units as Bifunctional Catalysts for Li–O₂ Batteries. Science Advances,2023, 9(5), eadf2398.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf2398

2. Zhang Wen, Xiaowei Mu*, Xinyi Sun, Zhenming Xu, Mingbo Zheng^*, Haoshen Zhou, Ping He^*,Boosting Li−CO₂ Battery Performance via High-Entropy Alloy Catalysts: Insights into Configurational Entropy Effect. Angewandte Chemie International Edition, 2025,e202424121.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202424121.

3. Xiaowei Mu , Chao Xia, Bin Gao, Shuyi Guo, Xueping Zhang, Jianping He, Yonggang Wang, Hao Dong, Ping He^*, Haoshen Zhou,Two-dimensional Mo-based compounds for the Li-O₂ batteries: Catalytic performance and electronic structure studies. Energy Storage Materials, 2021, 41, 650-655.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721003044?via%3Dihub

4.Sixie Yang, Yu Qiao, Ping He^*, Yijie Liu, Zhu Cheng, Jun-jie Zhuc and Haoshen Zhou^*,A reversible Lithium-CO₂ battery with Ru nanoparticles as cathode catalyst. Energy & Environmental Science,2017,10(4), 972-978.https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/ee/c6ee03770d

方向二液相氧化还原介质的分子工程与界面动力学

固-液界面传质与副反应累积限制了循环稳定性。我们以分子工程为核心，通过电子给/受体调控与官能团修饰，构建具有快速电子转移、宽电位窗口与高化学稳定性的液相氧化还原介质（RMs）。系统研究其在电极/电解液界面的动态行为与催化机制，从根本上缓解固相催化的传质瓶颈。

要点：

●设计高亲氧/可逆红氧对的分子骨架，降低产物分解与析氧能垒；

●协调溶剂化与离子输运，抑制副反应并扩展稳定电位窗口；

●原位/准原位表征与理论计算协同揭示界面反应动力学。

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1. Xinyi Sun, Xiaowei Mu, Wei Zheng, Lei Wang, Sixie Yang, Chuanchao Sheng, Hui Pan, Wei Li, Cheng-hui Li, Ping He^* and Haoshen Zhou^*,Binuclear Cu complex catalysis enabling Li–CO₂ battery with a high discharge voltage above 3.0 V. Nature Communications, 2023,14,536.https://www.nature.com/articles/s41467-023-36276-8.

2. Wei Li, Menghang Zhang, Xinyi Sun, Chuanchao Sheng, Xiaowei Mu, Lei Wang, Ping He^* & Haoshen Zhou^*,Boosting a practical Li-CO₂ battery through dimerization reaction based on solid redox mediator. Nature Communications, 2024,15,803.https://www.nature.com/articles/s41467-024-45087-4

方向三超高比能器件的结构-界面一体化设计

高载量与厚电极带来的气体传输与副反应问题，使实际容量低于理论值。我们提出“材料-结构-界面”协同优化：三维多孔集流体促进气体扩散，电解液组分优化提升气体与离子传质效率，并原位构建人工固态电解质界面以抑制枝晶与副反应，研制出能量密度超过 860 Wh kg⁻¹ 的软包金属-空气电池器件。

要点：

●3D气体/电解液通道工程，兼顾反应可达性与机械稳固；

●人工SEI/CEI原位构建，提升界面稳定与循环寿命；

●器件级权衡：载量、厚度、孔结构与安全性的综合优化。

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1. Zhang Wen, Yiwen Liu, Kaiwen Li, Sixie Yang, Haoshen Zhou, Ping He^*,Boosting the Li-O₂ pouch cell beyond 860 Wh kg⁻¹ by an O₂-enriched localized high-concentration electrolyte. National Science Review, 2025,nwaf059. https://academic.oup.com/nsr/article/12/7/nwaf059/8026892?login=true

2. Di Wang, Fan Zhang, Ping He^*, Haoshen Zhou^*,Versatile Halide Ester Enabling Li Anode Stability and High Rate Capability of Lithium-Oxygen Batteries. Angewandte Chemie International Edition,2019, 58(8), 2355-2359.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201813009