锂-空气电池用三维双连续纳米多孔空气电极的设计、制备及性能研究

The lithium-air (Li-air) battery is a high specific energy and secondary battery with great development and application prospect, especially in the electric vehicles. However, there are still many obstacles for the practical applications of Li-air batteries. The pore structure of the air electrode (cathode) plays an important role in the available capacity for the discharge process. According to our recent work, we found that the pore utilization, discharge capacity and cycling performances can be enhanced dramatically by the bicontinuous nanoporous graphene. Therefore, based on the previous work, in this study we will design and fabricate the three-dimensional and bicontinuous nanoporous air electrode materials for Li-air batteries. By regulating the pore size distributions, loading high-efficiency catalysts and optimizing the electrode structures, we will try to improve the volumetric specific capacity of the Li-air batteries, and the charge/discharge efficiencies, cycling stabilities and rates performances under the different potential and capacity control. We will also try to find the high-efficiency utilization approach for the pore structures of the porous electrode materials before/after the electrochemical test and even during the reactions processes, by combining the electrochemical evaluations, conventional structure and surface analysis, and the in-situ XRD technique, and so on. We want to explore the interactive mechanism between the discharge products and the porous electrodes, clarify the influence to the materials performances from the microstructural changes and surface chemistry properties, which can provide the experimental evidences for exploring the new materials and improving the entire performances of Li-air batteries.

锂-空气电池是极具发展和应用前景的高比能量二次电池，特别是在电动汽车等领域. 目前阻碍锂-空气电池实际应用的问题有很多，其中空气电极的孔隙结构是决定电池实际放电容量的关键因素. 在我们近期的研究中发现，双连续纳米多孔石墨烯可显著改善空气电极的孔隙利用率、提高放电容量和循环性能. 本项目以前期研究工作为基础,设计和制备三维双连续纳米多孔电极材料，通过调控孔径尺寸、负载高效催化剂和优化电极结构，提高纳米多孔电极的体积比容量以及在不同电压和容量控制下的充放电效率、循环稳定性和倍率性能. 结合电化学评价和常规结构与表面分析，通过原位X射线衍射(XRD)等手段，寻找电化学循环前后及反应过程中多孔材料孔道结构的高效利用途径. 探索放电产物与多孔电极的相互作用机制，阐明微结构变化和表面化学性质对材料性能的影响规律，为探索新材料、提高锂-空气电池的整体性能提供实验依据.

锂-空气电池是极具发展和应用前景的高比能量二次电池，其中空气电极的结构对电池性能影响较大。我们采用分步脱合金结合热处理方法，基于合金和有机液体前驱体，设计和制备三维双连续纳米多孔金属与薄层碳的复合材料，通过改变热处理温度，实现对多孔材料孔道结构和孔径尺寸分布(200nm-1um)的有效调控。具有独立自支撑特性的三维双连续纳米多孔材料，可直接作为锂-空气电池的空气电极，表现出较高的初始放电容量（680 mAh cm-3）和较好的循环稳定性。进而采用原子层沉积方法在多孔空气电极内部引入纳米级RuO2催化剂，可以有效提高能量效率。通过调控放电容量与放电产物的形貌（圆饼状和薄膜状）和尺寸的相互作用，有助于改善空气电池的电化学性能。基于聚合物电解质设计制备三维双连续纳米多孔复合空气电极，并用于固态Li-CO2电池，与液体电解质相比，显著提高固态空气电池的可逆充电容量（达11000 mAh g-1）、循环稳定性（固定容量循环100圈后充电电位低于4.5 V）和倍率性能。为探究固态锂-空气电池中空气电极内部的界面相互作用，优化空气电极结构设计，以固态离子电池为例，详细探究了固态电解质与正极材料之间的界面接触策略；同时采用类单晶正极代替球型团聚体材料，进行全固态电池复合正极构筑，以实现连续的锂离子传输路径，减少固态电池复合正极内部的固-固接触界面。此外，我们对具有微米级连续孔道结构的多孔铜进行化学刻蚀，得到同时具有微米与纳米孔的三维双连续复合孔道结构，用作金属锂沉积的载体时，复合多孔结构可有效降低局部电流密度，调节锂金属在集流体内部的沉积行为，使其均匀沉积在三维双连续的孔道内部，从而有效抑制锂枝晶生长。上述研究工作为设计制备高效锂-空气电池的空气电极、提高电池的安全性和稳定性、以及改善界面接触提高电池整体性能和深入理解界面相互作用机制等提供了实验依据，有助于推动高比能储能器件的进一步发展。