锂空气电池空气极的结构设计、制备及性能研究

The structure and material type of air electrodeswith are essential factors for determining the capacitance, cycle life and stability of the large-capacity lithium batteries.This project is to design a new air electrodein lithium air battery which enables high catalytic efficiency and high cycle stability.For this purpose, we adopt a carbon nanotube (CNT) film as a metal catalyst support with optimized mixing ratio. This well-prepared film is then mixed with materials serving for supporting and facilitating gas diffusion to form the air electrodes. In detail, we will first develop a reliable method for metal catalyst deposition on well-prepared CNT film and/orlarge-area graphene sheet. We will investigate the dependence of pore size and pore density of nanocarbon materials in conjunctionwith the micro-structural changes of metal catalysts on the battery capacitance and cycle life. We will study and clarify the reaction dynamics at electrode-air-electrolyte phase interface, e.g., the relation between oxygen reduction rate and charge transfer. We also want to investigate the effect of material thickness and specific surface area on the catalytic efficiency and amount of air flow. We want to find out the correlation and effect of electrode temperature, electrolyte composition, electrolyte PH on the battery performance through the analysis of the experimental data. This study will provide reliable techniquesand first-hand data base for thedevelopment and improvement of lithium air battery application in industrial motors.

锂空气电池空气极的结构及其材料是决定电池容量大小、充放电次数及能否稳定供电的重要因素。本项目研究设计一种具有高效率催化效能、能稳定充放电的锂空气电池的空气极结构，该结构将已配比好的金属催化剂镀覆于碳纳米材料薄膜上，并与具有支持和气体扩散功能的材料组合制备成空气极。研究碳纳米管（CNTs）薄膜或石墨烯膜的可控制备方法和金属催化剂的镀覆方法；研究空气极碳纳米材料的孔隙、孔径及各种催化剂的微观结构在充放电过程中的变化和电池容量、循环次数之间关系；探讨空气极、空气、电解质三相界面的电极过程动力学问题，如氧气还原反应速度变化和传导电荷的关系；研究空气极构成材料的厚度、比表面积的改变对于催化剂效能和空气流量的影响；最后通过对实验测试数据的分析与研究，搞清空气极的温度、电解液组分和PH值等的变化与电池电化学性能的关系。本项目的研究为面向汽车用锂空气电池的开发提供了重要的技术方法和实验数据。

锂空气电池作为一种新兴的能量密度体系的新成员，具有较高的理论能量密度，是锂离子电池的十倍左右，已经能够和汽油相媲美。研究制备锂空气电池的空气极材料为面向汽车用锂空气电池的开发提供了重要的技术方法和实验数据，将有利于促进环境和社会的和谐、长远发展。.研究制备出的过渡金属氧化物 MCo2O4（M=Ni，Mg，Fe，Cu），分别与碳复合材料作为锂空气电池的空气极材料,其中，在MgCo2O4三维结构电极MgCo2O4@3D-G的基础上，加入贵金属催化剂Au，使得锂空气电池的循环寿命及过电势都得到了更好的改善，进一步证明了Au@MgCo2O4@Graphene@Ni Foam复合材料的组合能够提高催化性能。通过碳基金属氧化物（RuO2@GNRs）、NiCo2O4@Graphene和3D graphene@CuCo2O4 MF复合材料作为锂空气电池的空气极催化剂，也显示出了其较好的稳定性和较长的循环寿命。.锂金属以其极高的理论容量、最低的电负性和纯粹的锂源等优点，成为电池领域的“明珠”，但是，枝晶型的锂沉积方式引发的安全问题以及循环效率、循环寿命差这两大超级难题始终没有得到很好的解决，众多的下一代超高能量密度的锂电池，都将安全稳定作为使用的前提。.本项目研究制备出了新型双氟磺酰亚胺锂（bis(fluorosulfonyl)imide; LiFSI）/乙二醇二甲醚(DME)电解液；又以1，3-二氧五环（1,3-Dioxolane，DOL）作为溶剂, 研制出LiFSI-DOL电解液，能有效地抑制锂枝晶的生长并改善循环效率、循环寿命。.NASICON结构的锂离子导体，具有较高的锂离子电导率、大的工作温度范围、高机械强度、空气和水分稳定等优点，因而引起了研究人员的关注。采用以溶胶凝胶法合成的高纯Li1:4Al0:4Ti1:6(PO4)3（LATP）纳米晶体粉末为原料，通过流延法成膜，合成了LATP固态电解质片，制备出了高电导隔水的环氧树脂改性LATP固态电解质，为提高电池的稳定性、循环寿命、安全性提供了一种新型的电解质制备工艺方法。