有水/无水双电解液锂-空气电池的工作机理研究和性能优化

As a new battery system with high capacity, aqueous/non-aqueous double-electrolyte Li-air battery recently attracts much attention. In this battery, an aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte are separated by a lithium super-ionic conductor ceramic film, and are used as the electrolyte for air-electrode and the electrolyte for metallic Li-electrode, respectively. The concept of this system was first reported by Y. G. Wang in 2010. Therefore, the development of this kind of battery is still at the infant state, and thus is facing a lot of challenges. The proposed research project will focus on the operating mechanism investigation of double-electrolyte Li-air battery and the improvement of its performance. Firstly, we will investigate the electrolyte interface problems occur on the ions diffusion process (e.g. interface resistance, interface electric field, etc.). Then, we will further improve the electrochemical performance of this system by the optimizations of interface, battery structure and operating temperature. Next, we will enhance the stability of battery system by improving the stability of lithium super-ionic conductor ceramic film. Finally, we will develop the proper catalysts for rechargeable operation of double-electrolyte Li-air battery. It can be expected that the results of the proposed project will promote the development of double-electrolyte Li-air battery in china, and build a series scientific investigation methods for double-electrolyte battery systems.

作为一种全新的超大容量电池体系，有水/无水双电解液锂-空气电池在近两年引起了广泛的关注。在此类电池中，水系电解液和无水电解液通过一个锂离子导体陶瓷膜结合起来，其中水系电解质被用为空气电极的电解液，非水电解质被用为金属锂的电解液。这类电池由申请人于2010年首次提出，其研究尚处于初级阶段，并面临着诸多的挑战。根据以前研究的结果，本项目将深入研究这类电池体系的工作机理，并根据其工作机理，优化和提升这类电池的综合性能。项目将首先研究离子传输过程中所涉及的界面问题，即界面电阻和界面电场，继而通过界面、电池结构及操控温度的优化提升双电解液锂-空气电池的综合性能，然后通过提升锂离子导体陶瓷膜在水系电解液中的稳定性，实现体系整体稳定性的提升，最后为双电解液锂-空气电池可充模式优选合适的催化剂。项目的完成将推动国内双电解液锂-空气电池的研究，并有望为双液电池体系建立科学的研究方法.

依照项目申请的内容，本项目主要研究有水/无水双电解液锂-空气电池体系的工作机理，并根据其工作机理，优化和提升这类电池的综合性能。在项目执行的过程中依次开展了如下研究：1. 双电解液中离子传输的界面问题、锂离子及质子在固体电解质膜中的扩散问题、相应的电解质膜稳定性，并证实锂离子导体陶瓷膜对锂离子的传输具有高度选择性，但是相应的高界面电阻仍旧限制体系的功率密度；2. 通过设计合成多功能催化电极材料(掺氮有序介孔碳)，利用其在氧还原、吸附电容、析氢等反应的多功能性和双电解液锂-空气电池的结构特点，实现了锂离子电容器、锂-空气电池、锂-水电池在同一体系中的集成，弥补了锂-空气电池功率密度低的缺点；3. 针对固体锂离子导体陶瓷膜电阻率高的问题，制备了具有一定疏水特性的含有碘化锂的聚合电解质，成功用于锂-空气电池，研究了空气电极的复杂反应过程，通过其疏水性降低了空气中水分对金属锂的攻击，利用碘化锂氧化还原对实现了电化学氧化和化学氧化的耦合，降低了放电产物的分级电压，实现了锂-空气电池整体性能的提升；4.优化设计了一系列空气电极催化剂，有效提升了空气电极的电化学性能，抑制了电解液分解副反应的发生，并对金属锂保护提出一定的解决方案。项目执行中合计发表相关学术论文(SCI)论文21篇，申请专利5项，培养硕士研究生3名，博士研究生2名，项目负责人荣获2014年度国际电化学委员会应用电化学奖(ISE Prize for Applied Electrochemistry)， 2015年教育部自然科学一等奖(第二完成人)， 2016年度中国锂电青年研究奖，2017年获得中国电化学青年奖，并于2016年获得国家自然基金优秀青年基金的资助。