長春應化所新型鋰-空氣電池關鍵材料及電池組研究獲進展

2020-11-30 中國科學院

電池比能量不足嚴重製約了電動汽車的發展。鋰-空氣二次電池因具有比現有鋰離子電池高出1～2個數量級的理論比能量，是最能夠取代汽油的電池種類，已成為電動車電池的明日之星。然而受限於電解液和空氣電極等性能的嚴重不足，現有鋰-空氣電池存在能量轉化效率低、倍率性能差和循環壽命短等亟待解決的難題。

在國家自然科學基金委、科技部和中科院等的大力支持下，中國科學院長春應用化學研究所張新波研究員帶領的科研團隊在鋰-空氣電池研究方面取得一系列重要進展。

該團隊通過抑制鋰-空氣電池電解液分解，調控空氣電極固-液-氣三相界面以及優化鋰-空二次電池體系與結構，成功將鋰-空氣電池循環壽命從目前文獻報導的最長100次大幅提高至500次。研究結果發表在Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 3699–3705; Chem. Commun., 2012, 48, 6948–6950; Chem. Commun., 2012, 48, 11674–11676; Chem. Commun., 2012, 48, 7598-7600上。

針對目前鋰-空氣電池用電解液在電池反應中均有不同程度的分解，造成不可逆產物的生成和自身的消耗，嚴重限制電池的循環壽命的難題，該團隊基於對現有電解液分解機理的認識，首次將亞碸(DMSO)和碸(TMS)應用於鋰-空氣二次電池中，有效促進了可逆放電產物過氧化鋰（Li2O2）的生成，減少了副反應；通過詳細考察空氣電極對鋰-空氣電池性能的影響，發現空氣電極催化劑催化效率低、用於過氧化鋰等不溶放電產物存儲和反應物傳輸的孔道結構不合理、導電性差是制約鋰-空電池性能的關鍵因素。基於此，該團隊首次提出了石墨烯一體化空氣電極的概念，成功地在泡沫鎳基體中構築了三維多孔石墨烯。泡沫鎳所具有的高導電性結合多孔石墨烯合適的孔道結構，使得所製備的鋰-空氣電池表現出優異的倍率性能；此外，通過藉助和發揮稀土鈣鈦石型複合氧化物優異的電催化性能，有效降低了鋰-空氣電池充/放電過電位，進一步大幅提高了能量轉化效率和倍率性能。

在以上研究成果的基礎上，為使鋰空氣電池真正應用於電動交通工具和太陽能、風能等可再生能源儲能等領域，該團隊還通過優化鋰-空二次電池體系與結構，首次設計和開發出可實用化、擁有自主智慧財產權的鋰-空氣二次電池電池組。

《先進功能材料》封底和鋰-空氣電池組展示平臺

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