水溶液可充锂电池电极材料的研究

随着我国经济的进一步发展，能源缺口日益加剧，有必要提高能源的利用效率和加强环境污染的控制，其中有效的方法之一是采用二次化学电源。水溶液可充锂电池是一种新兴的二次化学电源，具有环保、安全可靠、可以大电流充放电等优点，非常有必要从理论和实践上对该储能体系的电极材料进行深入的探索，以进一步提高其性能。本项目拟以一系列化合物如嵌入和掺杂化合物为电极材料，结合理论计算，依赖已有的物理和化学测试方法，深入研究这些化合物的电化学反应过程机理、动力学过程、结构稳定性和电极界面的变化；探索新的制备方法，研究制备方法与材料电化学性能的关系；并借鉴和采用已有的表面改性和新型制备方法，提高电极材料在水溶液中的结构稳定性，抑制析氢和析氧行为，提高工作电压和容量密度，改善循环性能，为水溶液可充锂电池的进一步发展奠定良好的理论基础。

水溶液可充锂电池(简称为“水锂电”)诞生于1994年，虽然当时热了一会，但是由于循环性能较差，便“销声匿迹”。该体系具有良好的安全、绿色等优点，自我们在2007年年初在《德国应用化学》上面发表了1篇文章后，又成为了电压的热点之一。自此我们连续4次申请，终于在2010年获得了国家基金委的批准，这也是我国首个专门针对水锂电的研究项目。经过3年的研究，在三个方面取得了比较大的突破：(1)通过制备方法例如溶胶-凝胶法、模板法、水热法的探索，得到了多种结构的正极材料，在电化学性能方面取得了大的突破，例如大电流充放电能力，LiMn2O4纳米管可以快到6秒钟充电到54%的水平，循环性能有了显著的提升，大孔LiMn2O4可以在100%DOD下充放电1万次，容量保持率达93%；(2)发现V2O5、MoO3等材料可以作为水锂电的负极材料，采用聚吡咯包覆后，由于包覆层可以防止电荷密度高的钒离子发生溶解，具有良好的循环性能，同时聚吡咯的导电性能也显著提高了倍率性能；(3)将金属锂用凝胶聚合物电解质和固体LISICON膜包覆后，在水溶液中具有良好的稳定性，能够发生锂的溶解和沉积，与传统的水锂电正极材料如LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等组成新型的水锂电(第二代水锂电)，平均放电电压超过4V，突破了水的分解电压，且充放电效率除首次外达到100%，计算的能量密度高于同类型的锂离子电池。这些方面的成果获得同行的高度认可，审稿人或者引用者用“significant”和“pioneering”等术语进行描述，2013年新加坡的ICMAT特意邀请本项目负责人作45分钟的主题报告。部分成果已发表了29 篇SCI 论文，其中有2篇被Energy Environ. Sci.和1篇被RSC Adv.评为阅读量最多的文章，还有1篇被Energy Environ. Sci.评为特色文章；24篇文章的IF大于3，且其中5篇IF大于10；出版著作1本。申请了4项发明专利，其中1项在申请PCT。参加国际、国内会议10人次，主办国际会议2次。培养毕业的博士生2名和硕士生4名。