基于超氧化物的金属-氧气电池中正极过程的研究与材料设计

With the surging demand for high-energy-density low-cost secondary batteries for electric vehicle and large-scale energy storage applications, the state-of-the-art lithium (Li) ion batteries are falling far behind. Therefore, Li-oxygen batteries are attracting world-wide research attentions as the next-generation energy storage systems because of their ultra-high energy densities and low costs. Nevertheless, Li-O2 batteries are suffering from low energy efficiency, severe side reactions and fast decays due to the sluggish and irreversible O2/Li2O2 redox reactions...In order to solve those problems in Li-O2 batteries, we propose to take advantage of the highly reversible single electron redox reaction of O2/MO2 (metal superoxide) in superoxide-based Na-O2 and K-O2 batteries. We will investigate the underlying mechanism for the evolution pattern of MO2 during battery discharge/charge, and reveal the influence of electrolyte components in each elementary steps for further rational electrolyte design. We will also study the physical properties of the MO2 phase and explore ways to enhance its electrical conductivity. In addition, we will design suitable three-dimensional porous carbon cathodes to enhance mass transport and rate capabilities and built catalytical active but chemically stable interfacial layers on carbon surface for optimized cathode performance. All the knowledge gained in the proposed research will significantly expand our understanding of superoxide-based metal-O2 batteries.

随着电动汽车和大规模储能市场需求的快速增长，目前的锂离子电池已经无法满足社会对于高能量密度和低成本的二次电池的要求。锂-氧气电池因为其极高的理论能量密度和低成本的优点，成为电化学储能领域的研究热点。然而由于锂氧电池反应过程中氧气/过氧化锂转化困难，造成能量转化效率低、副反应严重、电池衰减严重等问题，当前研究处于瓶颈状态。.为了解决这些问题，本项目拟利用单电子电对氧气/超氧化物（MO2）可逆性极高的优势，以基于MO2的金属-氧气电池（钠氧和钾氧）为主要研究对象，探究在充放电过程中MO2成核、生长及分解过程的内在机理，揭示电解液在电池反应各个阶段中的作用，以实现电解液的理性设计，研究并调控MO2相的电导性质，构建合适的正极多孔结构和稳定的活性表面层，深入理解这类新型电池体系，优化氧正极反应过程，为实现高效稳定的超氧化物电池奠定基础。

随着电动汽车和大规模储能市场需求的快速增长，目前的锂离子电池已经无法满足社会对于高能量密度和低成本的二次电池的要求。锂-氧气电池因为其极高的理论能量密度和低成本的优点，成为电化学储能领域的研究热点。然而由于锂氧电池反应过程中氧气/过氧化锂转化困难，造成能量转化效率低、副反应严重、电池衰减严重等问题，当前研究处于瓶颈状态。.为了解决这些问题，本项目在基于超氧化物（MO2）的金属-氧气电池（钠氧和钾氧）体系下，通过电解液的调控与设计，对O2/MO2过程中MO2的成核生长、分解的内在机理以及影响正极反应过程的影响因素开展深入研究。通过研究不同多孔正极材料以及不同氧气压力下钾氧气电池的动力学和容量变化，明确提出稳定持续的氧气压力和材料孔隙实现钾氧电池性能提升的关键。以负载超氧化钾（KO2）的电极作为对电极，在排除其他副反应干扰的情况下，对O2/MO2正极反应过程进行详细研究。通过电解液盐组分的研究，发现铯离子在进入KO2晶格内部的同时增强KO2的溶液介导过程，提高电池容量和正极反应动力学，有效改善O2/MO2的可逆性和循环稳定性；同时揭示了电解液溶剂对于反应过程的显著影响，发现乙二醇二甲醚（DME）和二甲基亚砜（DMSO）组成的复合溶剂可以有效借助DME辅助的快速脱溶剂化和高氧气溶解度、DMSO辅助的快速反应动力学，增强了电池的溶液介导过程，显著提升了电池容量和正极反应动力学，极大提高了正极反应的可逆性和稳定性。同样，复合溶剂电解液应用于基于超氧化钠（NaO2）为放电产物的钠氧电池正极过程研究，有效增强了溶液介导过程，实现了正极反应动力学和电池容量的双重提升，进一步拓展了复合电解液的应用领域。