锂空气电池碳基正极的三维复刻构筑和构效关系研究

Li-air battery is a promising next-generation lithium battery with high energy density，however, its practical application is hindered by the sluggish kinetic of air electrode. Besides the catalyst, the pore structure pattern, component, bulk structure and surface physicochemical properties of air electrodes and materials are significant kinetic parameters towards oxygen reduction and evolution. Meanwhile, carbon materials have advantages of low cost, high conductivity, facile structure control and high energy density compared to metal compound as cathode materials. Therefore, this project will attempt to adjust the pore structure patterns of carbon materials and carbon based air electrodes via 3D replicating metal oxide templates with controllable nanostructures. The project will also attempt to adjust the solid structure, electronic structure and physicochemical properties of carbon materials through the control of preparation conditions, precursors and post-processing. The influences of pore structure pattern, component and surface properties of air electrodes and carbon materials on the mass transfer, deposition and decomposition of discharge product, catalysis mechanism will be studied systematically. The ultimate goal of the project is to enhance the performance of air electrode by optimizing the pore structure pattern and surface properties. The novel preparation strategy is meaningful for the preparation method studies of porous carbon and air electrode, and the structure-performance studies are meaningful for the application of Li-air battery.

锂空气电池是极具应用前景的下一代锂电池技术，空气电极缓慢的动力学过程是制约其实用化的主要问题之一。除催化剂外，空气电极及其材料的孔结构模式、组成、固体结构和表界面物理化学性质是影响电极过程动力学的重要因素。同时，与金属化合物电极材料相比，碳材料在成本、导电性、结构控制、能量密度等方面更具优势。因此，本项目拟通过纳米结构金属氧化物模板的结构控制和三维复刻，调控碳材料和碳基空气电极的孔结构。通过合成条件、前驱物和后处理条件的控制，调控碳材料的固体结构、电子结构和表界面物理化学性质。系统地研究空气电极和碳材料的孔结构、组成和表面性质对传质过程、放电产物的沉积和分解、催化机制等动力学要素的影响，通过孔结构和表界面性质的优化提升空气电极的动力学性能。项目中创新的合成思路对多孔碳材料和空气电极的构筑方法研究具有重要意义，构效关系的研究对推动锂空气电池的发展具有实践意义。

锂空气电池是极具应用前景的下一代高比能量锂电池技术，空气电极缓慢的动力学过程是制约其实用化的主要问题之一。空气电极的孔结构模式和表面物理化学性质是影响其电极过程动力学的重要因素。本项目通过金属化合物纳米模板的三维复刻，制备了多孔碳材料和碳基自支撑空气电极。研究了空气电极的孔结构和表面化学性质对空气电极动力学的影响。主要研究内容和结论包括：（1）构建了多孔碳电极的三维复刻方法，即首先在金属化合物模板上包覆碳源物质，经碳化处理后再去除模板，得到形貌复刻的碳材料。通过ZnO模板制备了碳纳米片微球，三维多孔结构协同氮元素掺杂实现了高达9163.7mAh/g的可逆比容量。采用ZnO纳米片阵列模板，通过三维复刻和Co3O4纳米片负载，成功地制备了杂化纳米片阵列。碳材料的导电性、多孔性协同Co3O4的催化特性实现了3.14mAh/cm2的高可逆面容量。（2）利用碳布模型直接研究了表面化学性质对空气电极性能的影响，避免了粘接剂等因素的干扰。结果表明，表面-COOH官能团能够为放电产物（Li2O2）的生长提供充足的反应活性位点，有利于Li2O2的成核生长；同时，-COOH官能团的引入对Li2O2的颗粒尺寸和溶液生长机制有着一定的调控作用。从而，表面羧基修饰将放电容量从未处理碳布的0.48mAh/cm2提升到1.23mAh/cm2。（3）掌握了系列金属化合物纳米结构模板的制备方法，并用于空气电极的构筑。通过氧化物氮化，制备了CoN纳米线阵列，阵列结构协同电子结构的改变使得该氧气电极实现了低至1.01V的总极化过电位和3.35mAh/cm2的高面容量。制备了NiO-NiFe2O4异质结纳米线阵列，纳米尺度上整合了NiO的ORR催化活性和NiFe2O4的OER催化活性，实现较强的双功能催化活性。项目研究中创新的合成思路对多孔碳材料和空气电极的构筑方法研究具有重要意义，构效关系的研究对推动锂空气电池的发展具有实践意义。