新能源汽车的核心是动力电池,而目前商用锂离子电池能量密度低(²00 Wh kg^-1),续航里程短,是新能源汽车发展的主要障碍。因此迫切需要发展基于新原理和新技术的长续航时间动力电池。锂氧电池具有超高理论能量密度(³500 Wh kg^-1),是极具发展潜力的长续航动力电池。然而,目前锂氧电池的应用仍然面临着诸多问题,其中,实际能量密度低和锂负极循环稳定性差,是制约锂氧电池应用的关键技术瓶颈之一。造成上述问题的原因较多,其中:（1）固体催化剂表面吸附态超氧化物中间体诱导产生膜状放电产物,导致电池放电提前终止,电池容量难以提高;（2）电解液组分与高化学活性锂负极充分浸润并发生副反应,例如高给体（DN）值的溶剂、空气中的H₂O、CO₂、以及促进空气电极界面反应速率的氧化还原介体等副反应因子,会从空气正极向锂负极扩散,引发锂负极的化学腐蚀,进而导致锂氧电池能量转换效率低和循环稳定性差。针对上述两个问题,受自然界辅酶独特性质启发,我们提出了一种以功能蒽醌分子作为“辅酶”的氧还原反应催化途径,蒽醌促进固态催化剂表面氧还原速率以提高放电容量;进一步,在锂氧电池中利用两相电解液界面阻止副反应因子向锂负极的扩散,提高锂负极和电池循环稳定性。具体研究内容如下:一、借助“自然界中辅酶因子传递电子或质子转换或加速酶促反应”这一原理,提出了“仿生酶-辅酶协同催化氧还原反应”的概念。以醌类分子在生物中具有捕获超氧自由基的能力为依据,系统研究了蒽醌（AQ）、2,5-叔丁基-1,4-苯醌（DBBQ）和萘醌（NQ）分子在氧还原过程中结合和捕获超氧化锂的能力,以及它们增强电极表面氧还原反应速率的能力。研究表明蒽醌分子不仅显著提高了固体催化电极的氧还原反应速率（10倍）,而且将锂氧电池的容量提高到原来的三倍以上。二、高给体值溶剂和可溶性氧化还原介体等电解液组分与锂负极的充分浸润并发生化学反应,会引发锂负极的腐蚀,进而导致锂负极的库伦效率低和稳定性差,造成电池能量转化效率低、循环寿命短。基于有机溶剂极性的差异,我们构建界面浸润性调控的两相电解液,阻止极性溶剂、H₂O、CO₂、可溶性氧化还原介体等电解液成分（称为锂电极的“副反应因子”）与锂负极的接触与浸润,抑制它们与锂负极的副反应,从而提升锂负极和锂氧电池的循环稳定性。首先基于有机溶剂氟硅烷与二甲基亚砜（DMSO,高DN值）极性的差异,构筑具有锂离子（Li⁺）传输性能的DMSO-氟硅烷两相电解液,利用氟硅烷对金属锂极强的亲锂性和化学稳定性,抑制锂金属电极的枝晶生长和提高其循环稳定性。然后以锂氧电池为模型,两相电解液可以将电池的循环寿命由40圈提升至60圈,证实了这一思路的可行性。但两相电解液界面体系中的锂离子传输速率较低,限制了锂氧电池性能的进一步提升。三、基于两相电解液的锂氧电池循环寿命难以进一步提升的原因,主要是界面离子传输性能较差。我们通过简单的季胺化反应,设计合成了（1s,2s）-（+）-1,2-环己二胺凝胶分子,该凝胶分子可在两相电解液界面构建有序离子通道,实现高效的界面锂离子传输过程。研究表明,将三维网状顺式有机凝胶引入两相电解液界面后,显著提升了锂离子传输速率,增加了电池循环稳定性。为进一步提高锂离子传输速率,采用无机纳米SiO₂气凝胶粒子,基于路易斯酸碱反应原理,即在网络凝胶基础上进一步添加SiO₂气凝胶构建了复合电解质。在促进锂盐的进一步解离的基础上增加了两相界面的游离锂离子数目,显著增强了锂离子传输性能。最终以复合电解质组装的锂氧电池的循环寿命从40圈提升至140圈。通过本论文的研究,我们提出了“酶-辅酶协同氧还原催化反应”的概念,并通过蒽醌分子作为“辅酶”因子证实了这一概念。蒽醌既促进了固体催化剂表面氧还原过程,而且使电池的比容量得到大幅度提升。进一步,我们利用有机溶剂的极性差异,构建了基于界面浸润性调控的DMSO-氟硅烷两相电解液,阻止极性溶剂、H₂O、CO₂和氧化还原介体等电解液成分与锂负极的接触与浸润,抑制它们与锂负极的副反应,提升锂负极和锂氧电池的循环稳定性。此外,通过在两相电极液中复合有机凝胶、纳米SiO₂气凝胶,增加了电解液界面体系的锂离子传输速率,从而显著提升了电池的循环寿命。基于两相电解液界面浸润性调控的锂氧电池体系的构建,有效避免了副反应因子对锂负极的化学腐蚀,为高性能锂氧电池的研发提供了新的研究思路和技术手段。