二次锂空气电池双功能催化剂作用机制研究

Lot of works have been done in recent years to improve the electrochemical performance of lithium air batteries, however, for pratical applications, three hurdles must be overcome that are low energy efficiency, poor cyclability and rate capability. In lithium air battery system, bi-functional catalyst is the key factor to affect its electrochemical performance. In this proposal, we intent to establish a research model among the relationship of catalysis mechanism, interfacial reaction of air electrode in non-aqueous solution, design and preparation of bi-functional catalysts, and construction and electrochemical performance of air electrodes. We try to understand the oxygen reduction reaction and oxygen evolution reaction of bi-functional catalysts in non-aqueous solution from the thermodynamics point of view. The fading mechanism of bi-functional catalysts as well as air electrodes will be also analysized. Based on these, design and exploring new techniques to prepare catalyst materials,and applying them in air electrodes to improve their electrochemical performance in terms of energy effiency and cyclability.

空气电极中双功能催化剂是影响二次锂空气电池整体性能的关键因素。本项目拟建立"非水体系中空气电极催化机制和界面研究-双功能催化剂电极设计与调控-空气电极三相界面构筑及构效评估"相结合的研究模式，从影响非水体系空气电极氧还原和氧化物分解反应机制的热力学入手，阐明双功能催化剂的作用机理和空气电极的失效机制，探索双功能催化电极的设计原理及调控因素等基本问题，从而更好地理解锂空气电池中空气电极氧还原和氧化物分解的动力学机制。同时，通过微观层次和分子水平上非水体系空气电极/界面反应过程的研究，阐明空气电极各组分之间的关联与其性能的关联。在优化双功能催化剂和空气电极结构的基础上，构筑非水体系二次锂空气电池体系，提升其电化学性能，特别是电池的充放电效率和循环性能。

非水有机体系二次锂空气电池作为一种新型的电池体系，因其超高的理论比能量密度成为目前备受关注的电化学能量储存体系。然而，锂空气电池较高的充放电过电位及充放电过程中不明确的反应机制已成为影响其发展的关键科学问题。课题围绕锂空气电池高效双功能催化剂及锂空气电池相关反应机理展开研究，主要研究内容和重要结果包括：（1）在双功能催化剂设计与制备：研制了多种具有双效催化功能的纳米催化材料，包括氧化钌负载的α型二氧化锰纳米管复合材料、氧化钌修饰三维多阶孔道硼掺杂的石墨烯气凝胶、自支撑Co3O4@Ni极片、自支撑NiCo2O4@Ni极片、Co-Ru@C 壳等多种双功能催化材料，有效降低了锂-氧气电池ORR和OER过程中的过电位，改善了循环性能和倍率性能；（2）在电解液优化方面：通过将物理、化学性质不同的DMSO和DMA混合，来综合改善电解液在电池中所需满足的要求，提出了一种新型的电解质添加剂，探究了催化剂和电解液的匹配性，并对其在锂-氧气电池中的性质进行研究；通过采用具有较低DN数的TEGDME作为电解液，可以溶解更多放电产物的八甲基环四硅氧烷（OMTS）作为添加剂，优化了电解液；（3）在反应机理研究与原位表征技术方面：利用电化学原位红外反射光谱研究了非水体系中O2电催化还原及氧化物分解过程的表面反应与动力学；将原位电化学红外谱学技术拓展至锂-氧气电池电解液的不稳定性研究中，在分子水平上实时监测DMSO和分解产物在金表面的吸、脱附过程，揭示DMSO的分解与电位以及活性中间产物间的关系。项目研究结果具有重要的科学意义，研究成果在国际重要学术期刊上共发表SCI论文13篇，科普论文1篇；申请发明专利1项。课题研究共培养研究生8名，其中已毕业4名。