生物质基多孔碳材料的制备及其作为高效锂-空气二次电池空气电极的研究

Lithium-air battery with a theory energy density of 5~10 times higher than the commercial lithium-ion battery has attracted a great deal of attention. The research and development to solve the renewable energy storage and raise the problem such as electric transportation has significant scientific significance and practical value. The key for the improvement of batteries’ electrochemical performance is designing and preparation of highly efficient air electrode. Firstly，porous carbon materials will be obtained by pyrolysis carbonization and activation of biomass materials; On this basis, the nano-catalyst will be loaded on porous carbon and the composite air electrode of nano-catalyst/carbon with hierarchical structure will be obtained. Electrochemical performances including capacity, cycling stability, rate performance and round-trip efficiency will be elevated by enhancing mass transfer, products sedimentary ability and ORR/ORE activity, and this can be implemented by optimizing the structure of the electrode and catalyst components. Based on the performance of the battery, structure-activity relationship between the electrode and the battery performance will be explored by investigating the electrode structure and catalyst effect on the battery. The action mechanism between electrode and battery will be revealed by combining theoretical calculation. The smooth implementations of this project will not only open up a new way for high-value-using biomass-based carbon, but also provide a scientific basis for the research and development of lithium-air batteries.

锂-空气二次电池具有高出锂离子电池 5~10倍的理论比能量,其研究和开发对解决可再生能源存储和大幅提高电动车续航里程等问题具有重要的科学意义和实用价值，而构筑高效空气电极是进一步提升锂-空气二次电池性能的关键。本项目利用廉价易得、绿色环保的生物质原料为碳源，经过热解碳化、活化得到多孔碳材料；在此基础上，对多孔碳材料进行纳米催化剂负载，最终得到具有多级孔结构的纳米催化剂/碳复合空气电极。通过对电极孔道结构和催化剂组成进行优化，促进放电产物的沉积，增强空气电极的传质和氧还原/析出能力，进而大幅度提高电池容量、循环稳定性、倍率性能以及能量转换效率。通过考察电极微结构、催化剂的种类对电池性能的影响，探讨电极与电池性能之间的构效关系，并结合理论计算揭示电极对电池的作用机制。本项目的顺利实施不仅为生物质碳材料的高值利用开辟了一个崭新的途径，也为锂-空气二次电池的开发提供了实验依据。

为提高锂-空气电池电化学性能，本项目以生物质碳材料为基础，通过对其进行杂原子掺杂、孔径优化以及金属氧化物的负载，得到具有高效氧还原（ORR）和氧析出（OER）的双功能催化剂。采用实验结合理论模拟的研究方法，从电极结构的设计、电化学性能的调控以及其催作用机制等方面展开相关研究工作。合成了N掺杂分级多孔碳和多孔碳壳，研究了合成条件包括合成温度、反应介质以及活化剂等对其形貌的影响。在此基础上，采用湿化学方法对合成的碳材料进行催化剂负载。首先，研究了电极结构对电池性能的影响，探明了它们之间的构效关系。研究结果表明，合理的电极孔道结构可极大改善电池放电容量、循环稳定性等。其次，在催化剂的作用机制方面，研究了催化剂对电池反应动力学的作用原理以及对放电过程的诱导机制。同时我们也发现，催化剂的加入不仅大幅度地改善ORR和OER反应的动力学，而且对放电产物的形核以及生长过程也进行了调控，优化了放电产物在电极表面的沉积行为，使其在充放电过程中更易形成/分解，从而提高了电池的电化学性能。在此研究结果的基础上，我们将电极的制备方法及研究思路拓展到锂-硫电池以及锂二氧化碳电池领域，并取得了较好研究效果。在本项目的支持下，共发表SCI论文10篇，授权专利1项，培养8研究生。项目的顺利实施为高比能二次电池的研究提供有价值的实验基础和理论依据。