锂-空气二次电池用新型多级孔单片碳泡沫的设计、合成及构效关系研究

锂-空气电池以其超高的能量密度及广阔的应用前景成为能源存储领域的热点。在有机系锂-空气电池中，由于放电产物不溶于电解质而只能堆积在空气电极中，而现有的空气电极多由孔径较小且多为微孔和介孔的粉末多孔碳制备而成，颗粒之间紧密堆积，可供沉积放电产物的空间非常有限，造成电解液与空气的接触容易被阻断，导致放电终止。空气电极性能不足严重阻碍了锂-空气电池的发展和应用。本项目将针对锂-空气电池的特点，设计和合成具有特定结构和组成的新型多级孔单片碳泡沫，这种碳泡沫具有相互连通的大孔道结构，既有利于固体产物沉积和氧气扩散，又能为负载氧还原/析出催化剂提供有利环境，进而提高电池的能量密度、能量转换效率、寿命和可靠性。并且由于其一次成型，作为整体结构可起到集流体的作用，可省去复杂的粉末电极制备过程。本项目提出的构筑高性能空气电极的新途径以及一体化设计思想，将为促进锂-空气电池的研究和开发提供科学依据。

本项目针对锂-空气电池的工作特点：开放体系以及固体放电产物，设计合成出了一体化多级孔碳泡沫空气正极显著提高了锂-空电池的性能。首次提出了一体化多级孔碳泡沫空气电极的概念，成功地在泡沫镍基体中构筑了三维多孔碳泡沫。与商业KB碳相比，所合成的新型碳泡沫正极具有高容量和高倍率的特点，在低电流密度下（0.2 mA/cm2），碳泡沫正极具有高达11060 mAh/g的容量，而商业KB碳只有5180 mAh/g的容量；在大电流密度0.5，1，和2 mA/cm2下，碳泡沫正极对应的容量分别为6150，3060，和2020 mAh/g；即使在5 mA/cm2条件下，电池容量仍然有370 mAh/g；而商业KB碳在2 mA/cm2的电流密度下已不能正常冲放电。本工作所提出的构筑高性能空气电极的新途径以及一体化设计思想，为锂-空气电池的研究和开发提供了新思路。另外，此复合空气电极一次成型，省去了复杂的粉末电极制备过程，克服了传统电极活性物质附着性和导电性差的缺点，提高了电池可靠性和性能均一性。新型电极还可应用于催化剂载体、燃料电池、其它金属空气电池以及功率型的能源存储器件。在项目实施期间，系统总结了金属-空气电池中氧电催化剂的发展过程，首次从水系和非水系电池对比研究的角度，详细阐述了同一种催化剂在水系和非水系中的催化作用，提出了学习水系促进非水系电池发展的观点，同时从材料化学的角度提出了在锂-空气电池中高效氧催化剂的设计合成思路，该综述论文发表在国际著名化学综述期刊Chemical Society Reviews上。在新型无机能源材料研究方面，首次发现氧化石墨烯的热还原与气氛无关，可在空气条件下300 oC加热五分钟即可实现还原，打破了传统的氧化石墨烯还原只能在还原性气氛下进行的认识，解决了石墨烯在氧化性气氛下还原的难题；首次发现石墨烯在储锂过程中存在结构-掺杂协同效应，提出了反应规律的公式：Estructure-doping > Estructure + Edoping；研究了制备五氧化二钒纳米片的新方法，提出了溶解-剥离的概念。