高比能锂-空气电池非碳材料体系及其构效关系的研究

The lithium-air batteries have the highest theoretical energy densities, but now they are facing many challenges, such as the instability of lithium metal electrode in the electrolyte, limited stability of electrolyte, instability of cathode materials including support, catalyst and binder, limited kinetic process of air cathode and so on, which severely limit their practical applications. The project will adopt a first principle method to select and design reasonable electrode material systems and also propose a free standing non-carbon air cathode. Moreover, the project will prepare a multiply protected lithium metal electrode by applying alloying and surface modification techniques, investigate the effects of air cathode materials and microstructures on catalytic activities and transport kinetic properties of O2 based on different materials, different microstructures, and establish an influence mechanism for air cathode surface kinetic reaction process, so the electrode materials, structures and preparation process will be further optimized. Furthermore, the project will make an effort to develop inorganic ceramic electrolytes with high lithium ion conductivity and high density, and investigate the transport mechanisms of Li+ and O2 in different electrodes, electrolytes as well as at different interfaces, so the interface performances and battery structures will be further optimized. At last, lithium air batteries with high capacity, high rate performance and high cycling stability will be obtained from this project. It is expected to make a breakthrough in existing air battery electrode materials and preparation technologies, help to establish the foundation for the development of high-performance large-capacity air batteries, and improve core competence of air batteries.

锂空气电池是具有最高理论能量密度的二次锂电池,是目前二次电池研究领域的热点，但由于锂空气电池中金属锂电极在电解质中的不稳定性、电解质本身有限的稳定性，以及载体、催化剂等空气电极材料的不稳定性和空气电极有限的动力学过程使电池容量发挥受到制约，目前的电池远不能满足实际应用的要求。本项目结合第一性原理筛选和设计合理的电极材料体系，提出自支撑结构的非碳体系空气电极，运用合金化和表面修饰技术制备具有多重保护结构的金属锂电极，研究不同催化剂及其微观结构对锂-氧反应的催化活性、输运动力学特性的影响，建立空气电极表面动力学反应过程影响机制，实现对电极材料、结构与制备工艺的优化；研究高锂离子电导率和高致密度的无机陶瓷电解质，建立锂离子和氧气在不同电极、电解质及不同界面处的传输机制，以进一步优化界面性能与电池结构，从而获得高容量、高倍率与高循环稳定性的锂空气电池，以提升我国空气电池的核心竞争力。

锂空气电池是具有最高理论能量密度的二次锂电池,是目前二次电池研究领域的热点，但由于锂空气电池中金属锂电极在电解质中的不稳定性、电解质本身有限的稳定性，以及载体、催化剂等空气电极材料的不稳定性和空气电极有限的动力学过程使电池容量发挥受到制约，目前的电池远不能满足实际应用的要求。本项目从探讨电极材料、微结构与电极性能之间的构效关系入手，以构筑可高效循环的大容量锂空气电池为目标，利用第一性原理方法计算，研究了过渡金属化合物的组分和结构对正极充电反应的影响规律，并建立了界面催化活性筛选规则，理论预测了多种高电化学活性催化剂；理论计算了Li+离子与O2等在电极材料、电解质、界面处的输运动力学性质及充放电过程电极表面（催化剂）上的反应路径，建立了催化剂的表面微结构对电池最优反应路径的影响机制；通过多种硅系、锡系金属有机化合物修饰获得了多重保护膜的金属锂电极，并构建了基于不同三维集流体（碳微管、ZnO纳米阵列修饰的泡沫镍及Cu3P纳米线）的复合金属锂电极，有效地抑制了锂枝晶生长，提升了金属锂电极循环寿命；采用水热、溶剂热等多种方法制备了具有不同形貌的金属氧化物复合、过渡金属复合的纳米催化剂，研究了不同催化剂的催化机理；设计制备了具有多种微结构的自支撑空气电极，获得了空气电极微结构与电极电化学性能之间的构效关系；通过元素掺杂，合成工艺优化获得了高稳定、高致密度、高离子电导率且可大规模制备的石榴石固体电解质；并通过亲锂性缓冲层的设计制备优化了电极界面性能，有效地降低了锂空气电池内阻，提升了锂空气电池的放电性能；在此基础上，设计组装了容量为1.26Ah，比容量为1194.6Wh/kg的锂空气电池实物样品，为我国空气电池的实用化奠定了基础。