[00318084]锂空电池及关键材料

一、项目简介

电化学储能是清洁高效的能量利用方式，是未来综合解决资源、环境问题的主要技术途径。锂空电池直接使用空气中的氧气作为正极的活性物质，因而具有极高的理论能量密度，可达现有锂离子电池的10倍左右，被认为是一代所谓“终极”化学电源。

二、前期研究基础

研究团队持续开展锂空电池方面的研究，实验室已建立了从材料合成到模拟电池组装系统，在空气电极及金属锂电极方面都取得了重要进展。早在2012年，研究团队就在国际能源与环境领域顶级期刊（Energy Environ. Sci., 2012, 5, 9765–9768）发表了领先的研究成果。

三、应用技术成果

虽然锂空气电池是非常有吸引力的电化学储能体系，但要实现其广泛应用，仍然有很多困难需要克服。对其中关键的空气电极而言，主要有以下三个方面的问题：（1）气体电极结构问题。不溶的放电产物Li2O2容易堵塞空气电极，阻碍氧气的扩散与进一步反应，使得其实际放电容量远远低于理论放电容量；（2）氧气反应的动力学问题。氧气在空气电极上的氧化还原反应较为缓慢，导致充放电过程的过电位较大（通常大于1 V）；（3）界面问题。放电产物Li2O2与空气电极的接触界面问题，直接影响充电过程，使得Li2O2不能被完全分解，造成锂空气电池的可逆性较差。

针对这些问题，研究团队设计和合成出一种具有开放式结构的剑麻状Co9S8材料，并首次将其作为锂空气电池正极。其开放状结构不仅为反应产物提供了丰富储存空间，有效避免不溶Li2O2对空气电极的堵塞。而且，特殊的开放式结构有利于氧气的俘获与释放，为高效快速电极反应提供保障；其次，Co9S8具有优异的催化活性，有效改善了氧气反应动力学，大幅度提高了电极反应速度；最后，Co9S8且具有良好的氧气亲和性，可以诱导氧气在Co9S8纳米棒表面反应生成过氧化锂，形成优异的Li2O2/电极接触界面，从而有利于充电过程中充分发挥Co9S8的催化效率，促进Li2O2的完全分解。所以，该Co9S8空气电极综合解决了上述三个方面的问题，相应的锂空电池表现出优异的电化学性能。在50 mA g-1的电流密度下，可以获得高达~6875 mAh g-1的放电容量，在控制放电容量为1000 mAh g-1的条件下，可以将充放电过电位降低至0.57 V，优于目前已报道的氧化物基催化剂。

仿生开放结构电极示意图

四、合作企业

无