基于扫描电化学显微镜研究有机电解液中氧电极反应过程动力学和机理

Currently，organic lithium-air battery is still in its early stages of development. There is lack of the explicit cognition to the electrochemical reaction process and mechanism of oxygen in organic electrolyte for lithium-air battery. The transfer dynamics of oxygen and lithium ion in organic electrolyte will be investigated by advanced electrochemical techniques. Furthermore, the oxygen redox reaction kinetics and mechanism in organic electrolyte will be verified by advanced scanning electrochemical microscopy and in situ spectroscopy electrochemistry technology combined with the electrode kinetic theory. The above result will be instructive to optimize the electrode materials and cell structure of lithium-air battery. And this is the scientific foundation for improving the energy efficiency and cycle stability of lithium-air batteries.

目前有机体系锂空气电池还处于发展初期，对其有机电解液中的氧电极反应过程和机理尚缺乏深入清楚的认识。因此本项目运用电极过程动力学基础理论，利用先进的扫描电化学显微镜等现代光谱电化学原位技术，考察有机电解液中氧传质和锂离子传输的特性和规律，在获取有机电解液中氧电化学反应信息的同时观测反应中间产物和电极/溶液界面形貌，并实时对产物的组成和结构进行识别和确认，进而阐明在有机电解液中氧电极反应过程动力学和机理，这将对有机体系锂空气电池正极材料和正极结构的设计优化研究具有指导意义，并为提高有机体系锂空气电池的能量效率和循环性能的研究奠定科学基础。

近些年来，有机电解质锂空气电池由于具有超高的理论比能量，吸引了众多研究人员的广泛关注，被认为是有希望的下一代储能器件，但是至今由于其存在较差的循环性、充放电极化大以及对氧电极反应过程和机理缺乏认识等关键问题，严重制约了锂空气电池的商业化应用进展。因此本项目运用了先进的原位微分电化学质谱及光谱技术，结合各种电化学测试技术，研究了有机电解质对氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)影响机制，从而合理设计制备了新型有机电解质和高性能阴极催化剂，考察了其对电池性能的影响因素并进行优化，进而阐释了其有效提升锂空气电池性能的作用机理。经过研究本项目的重要进展如下：不同的有机电解液的研究表明，乙二醇二甲醚(DME)为溶剂的有机电解液有利于离子和电子快速转移，即具有较快的反应动力学；作为锂空气电池有机电解液中氧化还原介质(RM)的LiI(HPN)2比LiI更高效，能够明显加速Li2O2的分解；开发的新型聚氨酯基凝胶电解质由于具有特殊的分子结构，使得该电解质具有良好的界面相容性，从而提高了电池的充放电循环稳定性；设计制备的“三明治”结构的聚合物复合准固态电解质，可以在改善电池的循环性能的同时降低负极侧的界面阻抗；设计开发的新型Ru@C基纳米电催化剂、NiCo2S4亚微米球非碳催化剂、RuOx/TiN纳米管阵列自支撑非碳电极和介孔碳化钨非贵金属催化剂等可有效的降低电池充放电极化并提高充放电循环性能，这对锂空气电池高性能阴极催化剂的构建具有指导意义。本项目为高效长循环有机系锂空气电池的研发提供了一定的理论见解和技术支持，这将促进锂空气电池的下一步实际应用发展。