MVC储能专辑:锂-空气二次电池关键材料及电池组研究

随着数码产品在人们生活中的广泛应用,对电源的要求也越来越高。目前普遍使用的锂离子电池,容量已接近其理论值,已经没有大幅度提升的空间,加之动力汽车的大力发展、化石燃料的储量有限及环境污染问题日益严峻,寻找新的电源体系显得尤为重要。锂-空气二次电池因具有比现有锂离子电池高出1~2个数量级的理论比能量,是最能够取代汽油的电池种类,已成为电动车电池的明日之星。然而受限于电解液和空气电极等性能的严重不足,现有锂-空气电池存在能量转化效率低、倍率性能差和循环寿命短等亟待解决的难题。

中国科学院长春应化所张新波研究员带领的科研团队针对目前锂-空气电池用电解液在电池反应中均有不同程度的分解,造成不可逆产物的生成和自身的消耗,严重限制电池的循环寿命的难题,该团队基于对现有电解液分解机理的认识,首次将亚砜(DMSO)和砜(TMS)应用于锂-空气二次电池中,有效促进了可逆放电产物过氧化锂(Li2O2)的生成,减少了副反应;通过详细考察空气电极对锂-空气电池性能的影响,发现空气电极催化剂催化效率低、用于过氧化锂等不溶放电产物存储和反应物传输的孔道结构不合理、导电性差是制约锂-空电池性能的关键因素。基于此,该团队首次提出了石墨烯一体化空气电极的概念,成功地在泡沫镍基体中构筑了三维多孔石墨烯。泡沫镍所具有的高导电性,结合多孔石墨烯合适的孔道结构,使得所制备的锂-空气电池表现出优异的倍率性能;通过构筑合理的催化剂修饰空气电极结构,首次实现了固体放电产物在空气电极中沉积行为和形貌的可控性,解决了制约锂空气电池领域发展的空气电极局部堵塞的难题,使得所制备的空气电极在锂-空气电池中的比容量是传统碳电极的37倍,循环稳定性相应提高5倍;此外,通过借助和发挥稀土钙钛矿型复合氧化物优异的电催化性能,有效降低了锂-空气电池充/放电过电位,进一步大幅提高了能量转化效率、倍率性能和循环稳定性。所提出的稀土钙钛矿氧化物双功能催化剂的制备方法简单、催化性能优越、成本低廉且适合大规模生产,是未来锂空气电池产业化过程中最有希望的催化剂之一。以上研究结果发表在Nat. Commun. 2013, 4, 2438; Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 3887–3890; Energy Environ. Sci. 2013, DOI:10.1039/C3EE42934B; 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等上。

锂空气电池能量密度高给人们带来了希望,越来越多的人不断投入这个有发展潜力的领域,锂空气电池的研究在近一年也有了很大的发展。影响锂空气电池性能的因素有很多,例如相对湿度、氧气分压、催化剂的选择、电解液的组成和电极结构等。但正极材料的选择及结构的不合理和催化剂的催化效率低,以及电解液的不稳定成了限制锂空气电池发展的主要因素。目前,本领域仍需要迫切解决的难题表现为以下几个方面:(1)寻找一种更稳定的电解液来支撑电池反应的可逆性;(2)自由充放电测试模式下实现电池的可逆循环;(3)寻求廉价高效电催化剂,提高电池的能量转换效率;(4)有效解决或缓解产物Li2O2对孔道的堵塞及对催化剂表面的毒化;(5)进一步探明电池反应及电催化机理。因此,在锂空气电池迈向实用化的道路上,任重而道远。

在以上研究成果的基础上,为使锂空气电池真正应用于电动交通工具和太阳能、风能等可再生能源储能等领域,该团队通过优化锂-空二次电池体系与结构,首次设计和开发出可实用化、拥有自主知识产权的锂-空气二次电池电池组。