目前鋰離子電池的能量密度已經接近其理論極限，進一步提升蓄電池能量密度需要採用新的體系，例如Li-S電池和Li-O2電池等都下一代高比能電池的有力候選者。
Li-O2電池的理論能量密度可達鋰離子電池的5-10倍，在實際中考慮到集流、封裝等結構件的重量，其能量密度仍然有希望達到鋰離子電池的2倍以上。Li-O2電池主要由Li金屬陽極、電解液和由多孔碳構成的O2陰極構成，理想情況下O2在碳陰極表面發生還原分解，生成Li2O2，充電池的過程中Li2O2會發生分解。
碳酸酯類電解液是Li-O2電池最為常用電解液（LiPF6，PC），但是最近的一些研究表明碳酸酯類電解液在放電的過程中會發生分解反應，因此陰極一側並非是生成理想的Li2O2產物。儘管採用碳酸酯類電解液的Li-O2電池還存在這樣的問題，但是其能量密度可達1000Wh/kg以上，循環壽命可達100次以上，使得其在一些特殊領域中仍然具有應用價值，因此有必要對空氣電極在碳酸酯類電解液的反應機理進行更為詳細的研究和分析。
近日，英國聖安德魯斯大學的Stefan A. Freunberger（第一作者）和Peter G. Bruce（通訊作者）等人對O2電極在碳酸酯類電解液中的反應機理進行了研究和分析，表明在放電的過程中陰極會產生二碳酸丙烯酯鋰、C3H6(OCO2Li)2, Li2CO3, HCO2Li, CH3-CO2Li, CO2和 H2O。
實驗中作者採用的Li-O2電池主要包含Li金屬負極、碳酸酯類電解液、玻璃纖維隔膜、多孔正極，其中多孔正極主要包含碳黑、α-MnO2納米纖維、聚偏二氟乙烯組成，通過丙酮溶劑分散後塗布在玻璃纖維的表面，該電池是在一個大氣壓的O2環境中進行工作。
上述的Li-O2電池在完成放電後，作者對其進行了拆解，採用紅外吸收的方式對其進行了檢測，從下圖所示的測試結果可以看到O2電極上不僅僅會產生Li2O2，我們還觀察到了相當數量的Li2CO3，同時我們還觀測到了C=O、C-O、C-C和C-H等共價鍵的峰，這意味著碳酸酯類電解液在放電的過程中發生了顯著的分解。
針對碳酸酯類電解液發生分解的現象，作者認為放電的過程中O2首先降解為O2-，而O2-會攻擊PC溶劑，從而產生多種分解產物，這其中多種分解產物的紅外譜圖與Li2CO3非常接近，因此單獨採用紅外的手段無法準確的分析O2電極在放電的過程中產生的產物。
為了更加準確的分析Li-O2電池在放電過程中的產物，作者採用核磁共振的方式對產物中的C和H進行了分析，從下圖的測試結果可以看到產物中含有碳酸鹽、丙基和H-C=O官能團，為了更加準確的分析產物，作者採用重水對分解產物進行了清洗，然後對清洗液中的1H進行了核磁共振分析，從下圖c所示的分析結果來看電極中存在著丙二醇、甲酸、乙酸和殘餘的PC溶劑，其中丙二醇可能是由於二碳酸丙烯酯鋰與水發生分解產生的（2ROCO2Li +D2O = 2ROD + Li2CO3 +CO2），而甲酸與乙酸則來自甲酸鋰、乙酸鋰與重水之間的反應，通過不同特徵峰下的面積進行計算，這幾種分解產物的摩爾比例為二碳酸丙烯酯/乙酸鋰/甲酸鋰=1:0.22:0.21。
由於目前的理論尚無法完全解釋O2電極在分解過程中產生的這些產物，因此作者對這些反應產物的反應機理提出了自己的觀點。
1） 首先，O2在空氣電極一側發生分解反應，產生O2-會對PC進行攻擊，早期的觀點認為可能是會對PC中的羰基碳原子進行攻擊，但是最近的研究顯示O2-可能更加傾向於攻擊CH2官能團，從而導致開環，產生過氧自由基，然後產生烷基碳酸鋰環，在CO2存在的情況下，烷基碳酸鋰環會發生分解產生二碳酸丙烯酯鋰。
2） 上述反應中產生的過氧自由基在O2存在的情況下，容易發生氧化分解，在不完全分解的條件下會產生甲酸和乙酸，在Li+存在的情況下會產生甲酸鋰和乙酸鋰產物。
3） Li2CO3的產生及可能來自於O2-與CO2的反應，也可能是PC在氧化分解過程中產生的H2O與二碳酸丙烯酯鋰反應，形成Li2CO3、CO2等產物。
從上面的分析可以看出，在放電的過程中O2在空氣電極並非像我們想象的那樣產生Li2O2產物，而是電解液溶劑發生分解，產生了大量的分解產物，可能有少量的Li2O2產物，但是Li2O2的特徵峰被Li2CO3所覆蓋，因此為了確定在放電的過程中是否真的產生了Li2O2，作者採用了原位的一個拉曼光譜對電極表面進行了分析。
拉曼光譜對於Li2O2非常敏感，因此能夠探測極低量的Li2O2，從下圖的分析結果可以看到，在放電結束後電極表面並未出現顯著的Li2O2特徵峰，因此我們可以判斷在整個的放電過程中並未產生Li2O2。
由於放電的過程中空氣電極表面並未產生Li2O2，而是碳酸鹽和其他的產物，因此充電的過程中空氣電極產生的氣體也主要是CO2。為了分析空氣電池在充電過程中的反應機理，作者採用紅外吸收對原始電極、放電後的電極和充電後的電極進行了分析。從下圖a中原始電極、充電後的電極的測試結果來看，電極表面放電過程中產生的分解產物，在充電後發生了分解。
為了確定每種產物在充電過程中的分解反應機理，作者又分別製備了含有不同分解產物的電極，分析其在充電過程中的分解反應。從下圖可以看到Li2CO3, HCO2Li和CH3CO2Li的充電電壓比較接近，與上面所示的O2電極的充電電壓基本一致。
電極中的各種放電分解產物在充電過程中的反應機理如下式所示，C3H6(OCO2Li)2的分解反應主要是首先其兩端的碳酸官能團發生氧化，產生一個O-R-O自由基，如果在O2存在的情況下，該自由基會進一步分解成為CO2和H2O，也可能結合質子生成丙二醇，通過定量分析CO2的數量，表明充電過程中這兩種反應途徑是同時存在的。
為了分析Li2CO3的分解途徑，作者對充電過程中產生的氣體進行了分析，在Ar環境中能夠探測到CO2，但是沒有探測到O2，在O2環境中產生的氣體則包含CO2、H2O、H2，因此Li2CO3的可能的分解途徑如下式所示。
甲醇鋰和乙醇鋰的分解過程則是首先失去一個電子，然後產生CO2，然後生成H和CH3自由基，有O2存在的情況下最終會生成H2O和CO2，如下式所示。
下圖為Li-O2電池的循環性能曲線，從圖中能夠看到儘管在充電過程中大多數的放電產物都發生了分解，但是電池在循環中仍然出現了明顯的衰降，為了分析造成電極循環過程中衰降的原因，作者對不同循環次數後的O2電極進行了分析，從下圖b的分析結果可以看到，在循環2次後電極表面沒有明顯的分解產物，但是在循環6次後O2電極在1430和1530/cm處開始出現明顯的吸收峰，1610/cm處的吸收峰強度出現了明顯的增加，在循環10次和30次後這些吸收峰的強度則進一步的增加，與之對應的是Li-O2電池在循環過程中容量出現了快速的衰降。
對循環30次後的電極表面分析表明電極表面存在二碳酸丙烯酯鋰、乙酸鋰、甲酸鋰（1:3:1.1），相比於電極在開始的狀態是，乙酸鋰和碳酸鋰的含量顯著的增加，這也表明Li-O2電池在循環過程中的容量衰降很大程度上來源於循環過程中分解產物的堆積。
Stefan A. Freunberger的研究表明Li-O2電池在使用碳酸酯類電解液時，O2電極的分解產物並非理論上的Li2O2，而是碳酸丙烯酯被氧化分解產生的二碳酸丙烯酯鋰、乙酸鋰和甲酸鋰等產物，儘管這些分解產物在充電的過程中也會發生分解，但是在持續的循環中大量的分解產物積累導致了電池循環壽命快速衰降。
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Reactions in the Rechargeable Lithium-O2 Battery with Alkyl Carbonate Electrolytes, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 8040–8047, Stefan A. Freunberger, Yuhui Chen, Zhangquan Peng, John M. Griffin, Laurence J. Hardwick, Fanny Barde, Petr Novak and Peter G. Bruce
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