《鋰空氣電池正極界面反應機理及其在電池中的套用研究》是依託中山大學，由童聖富擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鋰空氣電池正極界面反應機理及其在電池中的套用研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：童聖富
- 依託單位：中山大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
鋰空氣電池因具有最高的理論比能量（僅以負極金屬鋰的質量計算達11140 Wh/kg）而成為最具發展潛力的新型二次電池，在新能源汽車及相關儲能設備中均有廣泛的套用前景。然而鋰空氣電池體系複雜，特別是正極反應受影響因素眾多，其電化學反應機理尚未得到清晰的認識，限制了對正極材料研究，從而嚴重影響了鋰空氣電池的發展。闡明鋰空氣正極的電化學反應機理，是選擇、最佳化、設計具有高效、高穩定性空氣正極材料的理論基礎，對鋰空氣電池的研究發展起著至關重要的作用。本項目以實現鋰空氣電池的綜合性能的提高為目標，將利用原位物理、化學等研究手段，對空氣正極/電解液的界面結構、電化學反應（中間）產物，電極材料、結構等對氧氣擴散動力學的影響等內容進行系統深入的研究。本研究成果將為設計最佳化高效、穩定、低成本的鋰空氣電池正極催化材料提供理論依據和實驗支持，促進鋰空氣電池的發展和套用。
結題摘要
在化學電源中，鋰氧電池因具有最高的理論能量密度，在諸多儲能領域具有非常重要的套用前景。然而，鋰氧電池的發展受到多方面的制約，特別是正極的電化學反應（包括氧氣還原和析氧反應）動力學緩慢，表現出較大的過電位，且由於反應機理複雜，難以確定催化劑對動力學和電化學反應的影響，因而亟需闡明電極反應機理，研發具有高效、穩定的正極催化材料，提高電池的綜合性能。 針對鋰氧電池面臨的重要挑戰，本項目為研究電極反應機理及製備新型正極材料方面提出了研究策略，並開展了相關研究，主要包括： （1）採用表面超高靈敏的電化學石英晶體微天平（EQCM），對電極表面吸附的反應物、（中間）產物等進行了研究，發現在Au為正極，四乙二醇二甲醚（TEGDME）為電解液，鋰為負極構築的鋰氧電池中，LiO2為重要的反應中間產物。放電過程，當電壓由開路電壓逐漸降低過程中，先生成LiO2，再發生化學反應生成Li2O2；而充電時，電位逐漸升高的過程中，先生成LiO2， LiO2繼續分解得到氧氣和Li+。該研究結果對於理解和闡明鋰氧電池的界面反應機理具有重要意義，而該方法亦為研究界面反應機理提供了良好的思路和方法。 （2）利用紅外光譜（FTIR）對充放電循環100次的電解液進行分析，表明沒有明顯的新的基團生成，說明TEGDME在此條件下具有較高的電化學穩定性。 （3）通過溶劑熱，以及冷凍乾燥、碳化處理等方法，製備了系列新型材料，包括單晶介孔結構NiO納米片、自支撐碳化菌絲負載Ru納米顆粒、無碳自支撐TiO2@Fe2O3，<001>取向的TiO2等，並系統研究了這些材料在鋰氧電池和鋰離子電池中的套用和反應機制。研究分析表明，常用於提高電極導電性和結構穩定性的碳和粘結劑，在鋰氧電池體系中，通常會參與副反應，帶來額外的過電壓，影響電極的循環穩定性。而無碳自支撐材料的成功製備，為研發新型的鋰氧電池正極材料提供了新的思路和支持，具有重要的套用前景。
