锂空气电池“快速充电”之路打通…二维催化剂同步提升寿命与功率[读懂科学]

by Kim Jonghwa

Published 04 Mar.2026 12:00(KST)

通过原子缺陷调控激活整个惰性基底面…在 550 次高速充放电下保持稳定

被称为能将电动车续航里程大幅提升的“梦想电池”——锂空气电池，其快速充放电与寿命短的难题，有望通过国内研究团队开发的一项催化技术实现同步改善。该技术的核心是在原子尺度上设计缺陷，将以往几乎不参与反应的二维材料整个基底面转化为催化活性位点。

韩国科学技术研究院(KIST)极限物性材料研究中心的首席研究员 Jung Sohee 研究团队与高等技术研究院(IAE)新材料工艺中心的首席研究员 Lee Kwanghee 研究团队通过联合研究表示，他们开发出一项可最大化二维纳米材料“二硒化钨(WSe₂)”表面活性的催化技术，从而同时提升锂空气电池的性能和耐久性。

二维金属性 WSe₂ 基底面活化及催化反应机理。二维金属性 WSe₂ 的催化反应仅局限在边缘部位，导致性能受限。然而，引入通过铂取代和硒空位实现的原子级缺陷调控后，可激活整个基底面。在此过程中，氧化物中间体的高反应性与金属性材料的电导率相结合，从而保持稳定的充放电循环。研究团队提供

锂空气电池从理论上看，能实现比现有锂离子电池高出10倍以上的能量密度，因此备受关注，被视为下一代电池。然而，在充放电过程中，促进氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的催化活性位点十分有限，导致反应速率缓慢、寿命短，被指是其商业化面临的核心难题。

唤醒“沉睡”基底面的原子缺陷设计

研究团队采用在金属性二维 WSe₂ 层状结构中以铂(Pt)原子进行取代引入的策略，有意在表面形成硒(Se)原子脱出后的“原子级缺陷(vacancy)”。这一缺陷作为强力吸附并活化氧分子的反应据点，在降低 ORR 和 OER 反应能垒方面发挥关键作用。

尤其是，本次研究的差异点在于，将虽然占据了大部分二维材料表面积，但在化学上几乎不参与反应的“基底面”，整体转化为催化活性位点。研究团队解释称，内部金属性结构保持电导率，而表面氧化物中间体主导催化反应，由此构建出一种“协同结构”。

研究团队还开发出一种仅通过室温下简单搅拌工艺即可利用铂取代形成缺陷的工艺，与既有基底面活化技术相比，降低了工艺复杂度，并减少了材料损伤问题。

在 1C 速充条件下也可稳定运行 550 次…性能优于商用催化剂

应用该催化剂的锂空气电池在 1C(1000 ㎃/g)高速充放电条件下，实现了超过550次的稳定循环寿命。此外，在从 0.1C 到 3C 的多种充放电倍率条件下，相比现有商用催化剂 Pt/C 和 RuO₂，也展现出更优异的稳定性和耐久性。业界评价认为，这一结果显示出在高速充电环境下性能衰减较小，有望构建下一代高功率电源系统的可能性。

首席研究员 Jung Sohee 表示：“本研究的意义在于，在保持二维材料结构优势的同时，提出了一种在原子尺度上调控并利用此前一直未能加以利用的基底面的策略。”首席研究员 Lee Kwanghee 则表示：“通过解决锂空气电池的难题——快速充放电性能，有望加速高功率移动出行电源系统的商业化进程。”

研究团队认为，此次技术不仅可应用于锂空气电池，还可拓展至水电解、燃料电池等需要高性能催化剂的多种能源转换与储存领域。尤其是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)参与其中，进一步提升了研究的可信度和全球协作基础。

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另一方面，本次研究成果已刊登于国际学术期刊《Materials Science and Engineering: R: Reports》最新一期（1月19日）。该研究在科学技术信息通信部的支持下，通过 KIST 主要项目、个人基础研究项目、未来开拓融合科学技术开发项目以及全球TOP战略研究团项目等得以推进。

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。