锂空电池用金属(氧化物)纳米粒子锚定多级孔碳复合阴极的设计、构筑及相关研究

Mass transfer and catalyst efficiency are the key factors which restrict the development of lithium-air batteries. It is urgent to explore reasonable cathode structure and efficient bifunctional catalysts. This project is aimed to synthesize hierarchically porous carbon materials by the soft and hard template assembly, and then to anchor the nano M@MOx bifunctional catalyst to construct the air cathode. Based on surface analysis method, the effect of the suspension bonds on the carbon material and hierarchical pores on catalyst anchoring will be studied. Confinement effect of hierarchical pores and the effect of the facet and morphology of bifunctional catalysts on the growth orientation of discharge products will also be studied by the material characterization and electrochemical research results. The result is then correlated with the electrode characteristic parameters to study mass transfer in cathode, to clarify the tuning mechanism of pores and catalysts on ORR/OER activities. In addition, optimal electrode structure will be developed based on the unique features of the hierarchically porous carbon anchored with the bifunctional catalysts to ensure a high performance cathode of the lithium-air battery. This project will cultivate the synthesis of hierarchically porous carbon in a fundamental way, as well as catalytic mechanism of ORR/OER in non-aqueous electrolyte. It will provide a theoretical guidance for the rational design of novel bifunctional catalyst and electrode structure, which has important theoretical significance and application value.

阴极的物料传输和催化剂效率是制约锂空电池发展的关键因素，亟需探索设计合理的阴极结构和高效的双功能催化剂。本项目拟在前期工作的基础上，基于软硬模板协同组装获得孔结构可控的多级孔碳材料，锚定纳米金属M/MOx，制备双功能催化剂并构筑空气阴极。结合表面分析手段，研究碳材料表面悬挂键及多级孔对催化剂锚定的影响；结合材料表征和电化学结果，研究多级孔限域、双功能催化剂晶面与形貌对放电产物定向生长的影响；结合电极特征参数，研究e-/Li+转移与氧气传质过程，分析电极内荷质耦合传输过程，揭示多级孔碳空间效应及与金属(氧化物)之间的相互作用对ORR/OER活性的调控机制，构筑利于氧气与荷质传输、Li2O2限域定向生长、高ORR/OER活性的空气阴极。本项目可丰富多孔碳材料的选控制备技术，探索非水电解液体系内ORR/OER催化机理，为新型双功能催化剂和电极结构的理性设计提供指引，具有重要理论意义和应用价值。

阴极的物料传输和催化剂效率是制约锂空电池发展的关键因素，亟需探索设计合理的阴极结构和高效的双功能催化剂。. 本项目的首要任务是研究多级孔碳材料孔结构对于锂空电池性能的影响。由天然木头衍生的多级孔碳材料，分别负载纳米钌、纳米RuO2催化剂和纳米银后构筑空气阴极和锂金属复合负极。通过改变合成路线和条件制备出具有不同孔隙率的多级孔碳材料，结果表明所制备的空气阴极及锂金属负极均具有优秀的电池性能，如采用厚度为700微米的CA-wood/Ru组装的锂氧电池，在 0.1 mA cm-2电流密度下，具有 8.58 mA h cm-2的高面积比容量；3.4毫米的超厚CA-wood/Ru电池，面积比容量可高达56.0 mA h cm-2，该空气阴极具有可再生性，在使用一段时间之后可经过简单水洗，恢复其性能。. 我们还研究设计了双功能催化剂，并研究其对电池性能的影响。为了提高锂空电池的循环性能，在MOF衍生碳材料基础上锚定高分散Ru和MoO3，在碳纸上原位生长VN并进行后期氮化，设计构筑了不同的新型空气阴极；利用不同手段进行表征并组装电池进行电化学性能测试，结果表明催化剂对于电池性能提升有显著效果。. 我们亦在能源化学领域的其他相关领域进行探索研究，如进行了掺杂的过渡金属氮化物、过渡金属硒化物氧还原和氧释放催化剂的设计制备，以期用于锂空电池阴极的氧还原和氧释放过程；通过在阴极催化剂层内添加二元氧化物及PTFE等进行亲水/亲油平衡设计，对燃料电池膜电极层结构进行设计；通过溶剂热法合成高性能三维LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料；开展锂硫电池固态电解质及过渡金属氮化物作为ORR/OER催化剂的相关调研工作等。