组合电解质锂空气电池正极氧传输机理及其影响

Due to 10 times of energy density compared with that of lithium ion battery, the lithium air battery with hybrid electrolytes of organic electrolyte and water-soluble electrolyte is very promising application in electric vehicles. Besides the material of the parts, the internal oxygen transfer resistance is also the key issues need to be solved to ensure the application of the lithium air battery. Aiming at oxygen transfer resistance in the lithium air battery, the oxygen separating membrane is produced. This program employs mesoscopic simulation, molecular simulation and experimental verification to study the lithium air battery based on the fundamental theory of mass transfer, electrochemistry, molecular dynamics and quantum mechanics. The oxygen transfer in the separating membrane, the transfers of lithium ion, water and hydroxide ion in the electrolyte of the air electrode and transfer of the dissolved oxygen in electrode porous media are studied. The effects of the membrane structure, air electrode structure and operating parameters on the oxygen transfer and properties are analyzed. The membrane structure, air electrode structure and operating parameters are optimized to furthest improve its performance and lifetime by.reducing the internal oxygen transfer resistance. The research results of this fund will be very significance to its application in electric vehicles.

有机/水溶性组合电解质锂空气电池因能量密度约是锂离子电池的十倍而成为电动汽车动力系统的新宠。除了需要研制高性能零件材料外，电池内部氧气传输阻力也是锂空气电池实用化亟待解决的关键问题。项目以组合电解质锂空气电池为研究对象，首先对氧气分离膜进行制备；针对电池内氧扩散、溶解和传递问题，运用传质学、电化学、分子动力学和量子力学基本原理，采用介观、分子模拟方法和试验验证手段，研究分离膜内氧气传输机理、空气电极多孔介质中电解液内氧气溶解和传输规律及锂离子、水分、氢氧根离子等组分的传质规律，分析氧气分离膜结构、空气电极结构和电池操作参数等对氧气传输的影响，优化氧气分离膜结构、电极结构和电池操作参数，最大限度地降低因氧气传输阻力造成电池性能低和寿命短的问题。研究结果将对提高组合电解质锂空气电池性能、延长使用寿命、推动其在电动汽车上的实用化具有现实意义。

组合电解质锂空气电池因理论能量密度是锂离子电池的5-10倍，有望解决电动汽车动力电池续航不足的问题而被广泛研究。循环稳定性差、反应机理不清晰等问题是阻碍该电池实际运用的主要障碍。本项目研究了氧气分离膜制备及分离膜内氧传输机理分析、空气电极碱性水溶性电解液内锂离子、水分、氢氧根离子、溶解氧等的传质规律、电极多孔介质内的氧气溶解和传递规律。通过研究合适正极材料组分等对传质和电化学特性的影响，优化了电池电极结构和操作参数。使用试验和模拟的方法研究了锂空气电池电化学反应机理影响电池性寿命短原因。发现组合电解质锂空气电池不仅有效地阻止了杂质气体的进入，而且极大地降低了氧气传输阻力，表现出了更加优异的电化学性能。其在空气环境中，当电流密度为100mA/g，固定容量为500mAh/g时，循环次数可高达62次。模拟方面基于COMPASSII力场构建了PDMS-FTBA材料的微观传质模型，运用分子动力学方法和蒙特卡罗方法模拟了水和氧气分子在PDMS-FTBA材料中的扩散转移过程。将PDMS-FTBA混合材料的微观性质以及氧气和水分子在其内的扩散传输性能相结合，结果表明当PDMS:FTBA=25:75时，最大程度地限制了水在材料中的扩散，极大地增加了氧气在材料中的扩散。同时基于介观力场构建介观模型进一步研究不同官能团化对电极内传质的影响。表明当复合正极质量比3:1时，反应物的综合传质情况最佳。本项目研究获得了锂空气电池最优的氧气分离膜和电极等参数，突破了该电池推广使用中的一些瓶颈问题，为获得高性能、高可靠性、长寿命的锂空气电池奠定了基础。