随着电动汽车和储能系统（ESS）市场迅速扩张，如何突破现有锂离子电池能量密度的上限，成为电池技术领域的核心课题。其中，锂空气电池因其理论能量密度可超过传统锂离子电池十倍，被视为显著延长电动汽车续航里程的关键候选技术。

然而，锂空气电池距离实际商业化仍存在重要障碍。最大难点在于电极中可用于催化氧反应的活性位点有限，难以高效推动充放电过程中的氧还原与氧析出反应，导致反应动力学缓慢、电池寿命不足。

由韩国科学技术院极端材料研究中心郑素熙博士和先进工程研究院先进材料加工中心李光熙博士联合领导的研究团队，近期提出了一项新型催化剂设计策略，成功最大化利用二维纳米材料二硒化钨（WSe₂）的表面活性，大幅改善锂空气电池的性能与耐久性。相关成果已发表在期刊《材料科学与工程：R报告》上。

将“惰性基面”变为“全活性表面”

这项技术的核心思想，是把原本在二维材料中几乎不参与反应的基面区域，转化为可高效催化氧反应的活性位点，从而显著提升材料整体利用率。

研究团队采用了在WSe₂层状结构中掺入铂（Pt）原子的策略，通过精确调控，在材料表面有意制造出缺失硒（Se）原子的原子级空位。这些空位成为关键反应中心，能够强烈吸附并有效激活氧分子，大幅提高氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的速率。

值得强调的是，这一设计在不牺牲材料导电性的前提下，将几乎整个基面区域转化为催化活性位点，实现了二维材料表面的“全域激活”，极大提升了催化剂的有效利用程度。

循环寿命与倍率性能的显著提升

在实际电池测试中，采用该新型WSe₂催化剂的锂空气电池，在快速充放电条件（1C倍率）下展现出超过 550 次循环的稳定寿命。即使在高达 1C（约 1000 mA/g）的电流密度下反复充放电，电池电压和放电容量随循环次数变化极小，表现出优异的长期稳定性。

进一步的倍率性能评估中，研究团队通过连续改变充放电倍率，从 0.1C 扩展到 3C，以验证电池在不同负载条件下的适应能力——这是下一代电池能否商业化的关键指标之一。结果显示，在这一宽广倍率范围内，该催化剂体系的稳定性和耐久性均优于现有高成本商业催化剂，包括 Pt/C 和氧化钌（RuO₂）。

快速充放电性能对比也表明，新开发的 WSe₂ 催化剂在高倍率条件下的表现明显优于传统基准材料。这意味着，即便在高速充电场景中，电池性能衰减也有望被控制在极低水平，为高功率应用提供了可行路径。

打开二维材料催化设计的新思路

这项研究的重要意义在于，提出了一种突破二维材料结构局限的新设计理念：通过原子级调控，将原本难以参与反应的基面区域转化为高效催化活性位点，从而实现对整个二维材料的充分利用。

这一思路不仅适用于锂空气电池，也有望推广至其他对催化性能要求极高的能源技术领域，例如水电解制氢和燃料电池等，有助于在降低成本的同时提升整体性能。

本研究由韩国本土团队主导，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）参与合作，增强了成果的国际可信度与竞争力。研究团队计划在后续推进技术转移和商业化研究，进一步提升国内在锂空气电池技术方面的话语权和市场竞争力。

韩国科学技术院郑素熙博士表示，本研究的价值在于提出了一种原子级控制策略，能够在保持二维材料结构优势的同时，激活此前几乎未被利用的基面区域。先进工程研究院李光熙博士则指出，该技术在很大程度上解决了锂空气电池在快速充放电条件下面临的关键性能瓶颈，有望加速高功率移动动力系统的商业化进程。