低成本、高效、稳定的锂-空气电池双功能催化剂研究

The state-of-the-art batteries fall far behind the requirements for electric vehicles, e.g., current Li-ion batteries are still short of energy storage capacity. Compared with that of Li-ion batteries, Li-air batteries have a much higher theoretical specific energy density, which makes them an important candidate as power sources for electrical vehicles. However, to make Li-air batteries commercialization, many issues still need to be addressed, including poor round-trip efficiency, rate capability, cycle life, and so on. Among them, low-cost, efficient and stable bifunctional catalyst for oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) is a main challenge. The main goal of this project is to solve some fundamental science and technology issues of rechargeable Li-air batteries and pave the way for practical applications of Li-air batteries with low-cost, high performance and long life. One innovation point of this project lies in developing low cost, efficient and stable bifunctional catalysts for ORR and OER, e.g. noble-metal-free oxides, doped graphene and their composite. Another innovation point is to understand the ORR/OER mechanisms of bifunctional catalysts by means of experimental characterization and density functional theory (DFT) calculation. Moreover, these catalyst may be extended to proton-exchange-membrane (PEM) fuel cells and other metal-air batteries (Zn-air batteries and Al-air Batteries, etc.) applications.

电池的比能量不足严重制约了电动汽车的发展。与目前的锂离子电池相比，锂-空气二次电池因其具有高得多的理论比能量，是未来电动汽车重要的侯选电源。然而锂-空气电池的商业化还面临着巨大的挑战，主要表现为能量转化效率低、倍率性能差和循环寿命短等。其中，低成本、高效、稳定的氧还原反应(ORR)/ 析氧反应（OER）催化剂是一个主要的挑战。本项目的目标是解决可充电锂-空气电池空气电极的一些基本科学和技术问题，为低成本、高性能、长寿命锂-空气电池的应用奠定基础。本工作的特色和创新点在于以低成本的金属氧化物、掺杂石墨烯或氧化物与石墨烯的复合材料作为ORR/OER双功能催化剂为研究对象，借助实验表征手段和理论计算，加深对锂-空气电池中ORR和OER反应机理的理解，加快低成本、高效、长寿命双功能电极的设计和制备方法的发展。此外，也希望进一步将这些催化剂扩展用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)和其它金属空气电池。

锂-空气二次电池因其具有高的理论比能量，是未来电动汽车重要的侯选电源。低成本、高效、稳定的氧还原反应（ORR）/ 析氧反应（OER）催化剂是锂-空气电池商业化的一个主要挑战。.本项目以低成本的金属氧化物、掺杂石墨烯以及二者的复合材料为研究对象，加深对锂-空气电池中ORR和OER反应机理的理解，加快低成本、高效、长寿命双功能电极的设计和制备方法的发展。.本项目主要取得如下重要结果： .（1）钙钛矿氧化物作为高效锂-氧气电池双功能催化剂研究.钙钛矿La0.6Sr0.4Co0.8Mn0.2O3（LSCM）纳米纤维负载RuO2纳米片后，显著地改善了催化剂的ORR和OER性能。线性扫描伏安曲线（LSV）表明LSCM纳米纤维能够高效催化分解反应副产物Li2CO3，而RuO2@LSCM NFs可以分解反应副产物LiOH，为锂空气电池的实用化奠定了基础。.（2）石墨烯-Co3O4纳米复合材料作为高效锂-空气电池双功能催化剂研究. 研究发现石墨烯-Co3O4纳米复合材料对氧还原反应显示出优异的催化活性，包括较正的半波电位(-0.23V)以及较高的阴极电流密度，石墨烯的半波电位只有-0.39V。重要地，在碱性溶液中，这一催化剂比商业Pt/C催化剂显示出较好的长期稳定性，因此有可能取代昂贵的Pt/C催化剂。.（3）反尖晶石结构Co[Co,Fe]O4/N掺杂石墨烯作为高效、稳定的锂-空气电池双功能催化剂研究. 研究发现该催化剂表现出高的初始放电容量（13312 mA h g-1），优良的循环性能和倍率特性。增强的ORR/OER性能归因于反尖晶石结构的Co[Co,Fe]O4对ORR优良的催化特性，以及N-掺杂的石墨烯改善了电子电导。密度泛函理论 (DFT)计算表明对于反尖晶石Co[FeCo]O4催化剂ORR反应的速率决定步骤是Li2O2 团簇的生长，而对于尖晶石相CoFe2O4催化剂速率决定步骤是LiO2吸附物的还原。对于OER反应路径，反尖晶石Co[FeCo]O4和尖晶石相CoFe2O4催化剂的速率决定步骤分别Li2O2 和LiO2 氧化。.本项目还研究了La0.6Sr0.4Co0.2Mn0.8O3/RuO2，Sr0.95Ce0.05CoO3-delta-Cu， Sr0.9Y0.1CoO3-delta/CoO，Mg和Ca掺杂的LaNiO3，CuCo2O4等双功能催化剂，用于Li-