陶瓷基固态锂空气电池嵌脱锂正极材料的催化及储能复合机制研究

Due to the advantages of super-high theoretical energy density and superior safety, ceramic-based solid-state lithium-air batteries are considered as one of the most potential electrochemical energy storage devices. The development of high-performance cathode materials is one of the key approaches to improve the performance of ceramic-based solid-state lithium-air batteries. The most widely-used carbon cathode materials still exhibit the disadvantages of corrosive reaction and limited reaction site, leading to a serious impact on battery performances. In this project, for the first time, Li-intercalated active materials will be used to fabricate a stable non-carbon cathode for ceramic-based solid-state lithium-air batteries to enhance the stability and reaction site in cathode and improve the cycle life, energy efficiency, and practical energy density of batteries. Furthermore, the electrochemical process in the cathode during the charge-discharge cycle will be investigated in detail, and the hybrid energy storage mechanism of the cathode will be revealed. This project will exploit a new direction for future research on the development of cathode materials, provide new insight into the mechanism study, and facilitate the future development of ceramic-based solid-state lithium-air batteries.

陶瓷基固态锂空气电池由于具有超高理论能量密度和高安全性的优点，被认为是极具潜力的电化学储能装置。提升电池性能的关键路径之一是高性能正极材料的开发。现广泛使用的碳正极材料存在易腐蚀、反应界面受限等缺点，严重影响电池的电化学性能。本项目首次使用具有良好稳定性、离子导电性和催化活性的嵌脱锂材料构建陶瓷基固态锂空气电池非碳正极，以提升电极稳定性并增加反应界面，进而改善电池循环寿命、能量效率和实际能量密度。同时，本项目还将深入研究电池充放电循环中正极电化学反应过程，揭示正极材料的嵌脱锂-催化复合储能机制。本项目的研究将为陶瓷基固态锂空气电池正极材料的开发提供新方向，为电池电化学反应机理研究提供新的思路，促进陶瓷基固态锂空气电池的进一步发展。

锂空气电池具有高能量、高容量的优势，被认为是下一代电化学储能装置的热门候选。陶瓷基固态锂空气电池使用固体电解质分隔正负极，可以实现对负极锂金属有效保护的同时避免正极强氧化性环境对电解质的氧化分解。本项目以陶瓷剂固体电解质为研究对象，针对固体电解质优化、缓冲层设计与实现、电极-催化材料的构筑、电池反应影响因素与复合储能机制等多方面内容进行研究。通过研究工作的进行，取得了高致密度高电导率陶瓷基固体电解质、高电导率聚合物固体电解质、自掺杂二氧化钛电极材料、银-多层石墨烯复合催化剂、碳化钛-碳纤维复合催化剂等多项研究成果，所制备的陶瓷基固体电解质致密度达到97%，电导率达到5.23 × 10-4 S cm-1，聚合物固体电解质的电导率达到7.58× 10-5 S cm-1，同时二氧化钛电极材料、氧还原催化剂等方面也取得了较大进展。在此基础上项目对陶瓷基固态锂空气电池工作条件的影响、充放电机理和复合储能机制进行研究，总结发现离子传输通道和正极反应面积是限制电池性能的重要因素。本项目在固态电解质、催化剂、反应机制研究等方面取得的多项成果可以为固态电池、燃料电池、金属空气电池等多个研究热点的发展提供物质保证和研究指导。