一、    研究背景       在全球能源转型与电化学储能技术快速发展的背景下，传统锂离子电池的能量密度已难以满足电动汽车、无人机等新兴场景的需求。锂空气电池（Lithium-air batteries, LABs）凭借其超高的理论比能量（>3500 Wh kg-1）、以及可利用空气中氧气作为正极活性物质等显著优势，被视作下一代电化学储能的核心候选技术。然而，锂空气电池的实用化之路仍面临多重关键挑战：其一，氧还原反应（Oxygen reduction reaction, ORR）与氧析出反应（Oxygen evolution reaction, OER）存在超过1.0 V的过电势差，循环效率低于70%，这主要源于放电产物Li2O2的绝缘特性（电导率仅为～5×10-20 S cm-1）；其二，氧气穿过气体扩散层和电解液，与阳极接触导致锂金属阳极形成钝化层，伴随枝晶生长和电极粉化问题，造成容量快速衰减；其三，Li2O2沉积会堵塞氧阴极孔隙，且中间产物（如LiO2）易与电解液发生不可逆反应生成Li2CO3，进一步恶化电池性能。在此背景下，寻找能解决这些瓶颈的关键材料成为研究焦点。二、工作简介       本综述首先归纳了锂空气电池的发展历程与核心科学问题，从电化学原理出发，系统阐述了不同电解液体系（有机系、水系、水系/有机系混合及固态）中ORR/OER的反应路径差异，重点描述了有机系LABs中Li2O2的成核、生长与分解机制，据此得出制约LABs性能的核心瓶颈是绝缘性放电产物的堆积及其导致的界面反应动力学迟缓问题。炭材料因其具有高导电性、多功能性和可调整的孔隙结构而被视为解决LABs现存问题的关键材料。 

                      图1 (a、b)LAB放电-充电过程示意图。(c)利用不同电解液体系的四种LABs示意图

      目前对炭材料应用于LABs的研究主要关注其作为空气阴极材料的情况，本综述围绕碳基空气阴极材料的结构设计与功能调控进行了详细归纳与讨论。      在结构设计方面，不同结构的炭材料为LABs的性能优化提供了多种修饰策略。如碳纳米管（CNTs）结合三维石墨烯骨架为绝缘性放电产物提供了充足的沉积位点和储存空间（图2a-c）；分级多孔纳米碳笼通过优化孔隙尺寸分布，使之具有互相连通的孔隙结构，提升Li2O2的容纳量，进而促进电荷转移（图3a-c）。多级孔隙空心碳壳的多孔空心结构则为电化学反应提供充足的活性位点，并为放电产物提供足够的存储空间（图3g-i）。总结而言，对碳基空气阴极材料的结构修饰主要通过为放电产物提供更多的反应位点和容纳空间来改善Li2O2的生成/分解反应，进而提升反应动力学和离子电导率，最终实现优化电池性能的目的。        在功能调控方面，对炭材料进行元素掺杂是主要手段，包括非金属元素（N、B、S）掺杂通过调节费米能级和缺陷结构增强催化活性（图4），以及过渡金属（Co、Fe）和贵金属（Ru）负载通过提供活性位点降低过电势（图5），除了炭材料的掺杂和负载外，其他复合炭材料如炭与炭/氧化物/硫化物的复合物也可改善LABs的性能，如硫掺杂炭中C-S键作为ORR活性位点，增强电子传导性；氧化锰提供ORR/OER反应的核心催化位点，有效降低反应过电位等（图6）。         此外，极性官能团修饰也对碳材料的物理化学性质有影响，如含C-O、C=O等含氧键的官能团可通过增强O2吸附和Li+亲和性，诱导Li2O2形成分散纳米颗粒而非绝缘薄膜，从而降低电荷转移电阻（图7）。    

图2 (a)NS-CNTA/3DG改性以及Li2O2在充放电过程中表面吸附途径的图示和扫描电子显微镜(SEM)图像。(b)在2.2–4.5 V的截止电位下，电流密度为200 mA g−1的NS-CNTA/3DG和CNTA/3DG阴极的首次深度放电-充电曲线。(c)电流密度为200 mA g−1、截止电位为2.2–4.5 V的CNTF、NS-CNTF、Super P和NS-Super P电极的第一个深度放电-电荷曲线。(d)基于CNT的低迂曲海绵阴极及其在0.5 mA cm-2下面容量极限为0.5 mAh cm-2的循环稳定性测试的图示和SEM图像。(e)放电至2 V的低和高迂曲度O-CNP@NiFe(OH)x电极之间的深度放电容量比较。(f)原始电极、放电电极和再充电电极的XRD图谱。(g)FlowerCNTs@FilmCNTs制备示意图。(h)Brunauer-Emmet-Teller(BET)表面积和样品的总孔体积。(i)不同电流密度下FlowerCNTs@FilmCNTs电极的深度放电-电荷曲线。(j)碳纳米管阴极上Li2O2生长途径示意图。(k)CNT表面周围(Li2O2)n(n=I−VII)的致密沉积厚度。表示(Li2O2)n与CNT表面之间的稳定间隙。(l)Li2O2在(Li2O2)n不同位置的状态密度。E = 0 eV 处的费米能级与垂直虚线交叉 

图3 (a)MnOx/hCNC的SEM图像。(b)在0.1 A g-1时，XC-72、MnOx/XC-72、hCNC和MnOx/hCNC的LAB全放电曲线。(c)不同电流密度下的充电和放电过电位。(d)模板中空碳环及其作为LAB阴极的用途示意图。(e)LAB的静电流放电曲线。(f)具有调节Li2O2生长和分布的分层通道的HCRE图示。比例尺：1.0 μm。(g)无孔碳电极和多孔碳电极的传质效率和放电容量对比图。(h)HCSS、HCS阴极和具有双氧化还原介质的HCS阴极的深度放电和电荷曲线。(i)基于HCSS(左)、HCS(中)和HCS双氧化还原介质(右)的放电产物的不同生长机制。(j)将Faveolate Ru-N/C催化剂用于O2阴极的示意图。(k)使用M-500和Ru-N/C催化剂的电池的静电流放电-充电曲线和(l)电流密度在0.05至0.5 mA cm−2的电流强度下的性能 

图4 (a)Co3W3N/NPC复合材料制备示意图。(b)使用Co3W3N /NPC催化剂的LAB最初5个循环中的全放电-充电曲线和循环阴极的插入形貌。(c)200 mA g-1时的放电-充电曲线。(d)Mn SAs-NCs的制备示意图。(e)Mn SAs-NC的差分电荷密度，其中黄色区域表示电子聚集，青色区域表示电子损失。(f)在不同电流密度下，具有Mn SAs-NC、NC和Mn NPs-NC的LAB过电位。(g)C-N纤维/Ru纳米颗粒阴极催化剂的制备示意图，以及不同O2阴极固态LAB在200 mA g-1和500 mAh g-1的固定比容量下循环性能。对于(h)C−Ru和(i)C−N−Ru，Ru的状态d带的部分电荷密度(虚线部分是Ru的d带中心能)。(j)B，N-hG的合成路线方案。(k)在100 mA g-1下测试的初始放电-充电曲线和(l)在300 mA g-1下测试的hG、N-hG、B-hG和B、N-hG的完全放电曲线 

图5 (a)RuFe@NC-900的插图和HR-TEM图像，碱性电解质(1 mol L−1 KOH)中OER的LSV极化曲线以及电流密度为150 mA g-1的恒电流放电-充电循环测试。(b)LRu@HDCo-NC的制备步骤示意图。(c)固定容量为1000 mAh g-1的LRu@HDCo-NC阴极在500 mA g-1时的循环性能，以及(d)其相应的端电压与循环次数的关系。(e)RuPd/Fe-CNCs的合成方案。(f)Ru0.8Pd0.2/Fe-CNCs和(g)Fe-CNCs电极在完全放电和带电状态下的Li 1s XPS光谱 

图6 (a)不同阴极成分(CP：碳粉，CNT：碳纳米管)之间的放电容量比较。重量比为1∶1的纯碳粉和混合碳粉和纳米管制成的阴极的(b)放电和(c)充电容量与循环数的函数关系。(d)NCS/S-3DPG复合电极的高分辨率C 1s XPS光谱。(e)NCS/S-3DPG和(f)3DPG阴极在深放电深度或充电状态下的XRD图谱。(g)Norit碳负载氧化锰的透射电镜图像。(h)放电时的电压-容量曲线，然后用Norit碳负载的氧化锰(热处理或未处理)或EMD O2电极以70 mA g−1的速率为LAB充电。第一个循环在2.0至4.3 V之间循环，在1个大气压的O2中循环。容量表示为电极中每克碳的值 

图7 (a)SOCNTs阴极LABs的第一次放电/充电曲线。电流密度设置为100 mA g−1，容量降低为500 mAh g−1。(b)基于EDS结果的酸蚀和改进的Hummer方法后氧化碳纳米管的相关氧含量。(c)放电容量随Li浓度变化的趋势。O2侧、中部和隔膜侧Li2O2分布的SEM图像以及浓度为(d)0.5 mol L−1和(e)2 mol L−1时粒径的统计分析。(d，e)中的比例尺为200 nm。(f) Co@C-850的O 1s高分辨率XPS光谱。(g)Co@C-750、Co@C-850和Co@C-950的C-O-C百分比和Co纳米颗粒含量。(h)基于Co@C-750/850/950阴极的LAB在0.5 A g−1下的循环稳定性        基于前文的归纳，本综述对炭材料在LABs中的应用进行了总结，包括炭材料在容量、循环寿命和过电势等方面的性能进展，强调了结构-性能构效关系的重要性。最后，本综述对LABs中的碳基材料在空气阴极外的应用进行了展望，包括作为锂金属阳极保护层抑制枝晶生长、构建双碳电极体系降低成本、结合O2选择性膜提升大气适应性等，同时提出未来研究需聚焦的关键问题，如开发抗腐蚀碳材料抑制副反应、推动面积容量数据标准化以加速商业化进程等。New Carbon Materials文章信息文章标题：Advances in the use of carbon materials for lithium-air batteries发表期刊：New Carbon Materials（新型炭材料（中英文）），第40卷第4期，909-930.DOI：10.1016/S1872-5805(25)61013-

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