锂空气电池金属锂负极“双功能”SEI膜的可控构筑及界面电化学研究

Li-air battery is considered as the most promising candidate for the next-generation energy storage due to its high specific energy, yet its development has been hindered by a lack of suitable strategy for protection of the Li metal anode. The uncontrollable dendritic Li growth and air-attacking-induced Li corrosion have prevented its practical applications. In this project, we aimed to design organic-inorganic hybrid solid electrolyte interphase (SEI) film on the Li metal surface as an artificial protective layer to address the issues. The properties of the artificial SEI film, especially in adverse working environment, will be systematically investigated by a series of physical and electrochemical characterization techniques. Based on the optimized artificial SEI film, the cycling stability of the protected Li metal anode in the ambient Li-air battery will be also evaluated. The results of this project will provide significant material and technical guides for development of high-performance artificial SEI film for the Li-air battery workable in ambient air.

以金属锂为负极的锂空气电池因其超高的理论比容量而被认为是极具希望的下一代储能体系。相比于其他金属锂二次电池，锂空气电池中金属锂处于较为复杂的系统中。在此系统中，金属锂充放电循环时不仅会形成锂枝晶，还会历经一系列副反应，诸如电解液中活性物质和外界大气的化学及电化学腐蚀，这些均直接影响着金属锂电极的稳定性和安全性。在金属锂表面构筑高性能固体电解质界面膜（SEI）作为人工保护层是很好的解决方案。本项目拟结合有机和无机材料的各自优点，可控构筑兼具“枝晶抑制”和“抗蚀能力”的“双功能”有机-无机人工复合SEI膜。结合先进的物理表征技术和电化学测试方法，对复杂系统中金属锂表面人工复合SEI膜的工况及环境适应性进行实时监测与表征，优化制备参数。在此基础上，考察“双功能”人工复合SEI膜在锂空气电池中的界面稳定性，探明构效规律，为锂空气电池用高性能人工SEI膜的设计和制备提供研究思路和关键材料。

锂-空气电池由于其理论能量密度高达11400Wh/kg，被认为是极具希望的下一代储能体系。本项目针对金属锂电极安全性和稳定性的瓶颈问题，尤其是半敞开的锂-空气电池，成功开发了一系列兼具“枝晶抑制”和“抗蚀能力”的人工保护膜，包括无机保护膜(LiI膜、HxMnO2+x膜)、有机保护膜(PQPU膜)、有机-无机复合保护膜(PDMS-SiO2膜、TPU-BN(OH)x膜)；此外，为获得高性能的电池单体，本研究也成功开发了贵金属Ru基(Ru-MOF-C、RuOx@Co3O4)和非贵金属Co基(Co,N-CNT@碳布、Co,N-CNT@CoSx)氧电极材料。这些研究成果将为推进锂-空气电池实用化奠定科学基础，对推动其他锂金属二次电池的发展及实用化也具有举足轻重的指导意义。在项目资助下，课题负责人以通讯作者身份共发表SCI论文18篇(其中影响因子大于10的论文9篇)，获得授权发明专利3项(第一发明人)，培养储能技术方向优秀研究生7名(其中博士生3名、硕士生4名)。