[00034217]鋰空電池及關鍵材料

一、項目簡介 電化學儲能是清潔高效的能量利用方式，是未來綜合解決資源、環境問題的主要技術途徑。鋰空電池直接使用空氣中的氧氣作為正極的活性物質，因而具有極高的理論能量密度，可達現有鋰離子電池的10倍左右，被認為是一代所謂“終極”化學電源。 二、前期研究基礎 研究團隊持續開展鋰空電池方面的研究，實驗室已建立了從材料合成到模擬電池組裝系統，在空氣電極及金屬鋰電極方面都取得了重要進展。早在2012年，研究團隊就在國際能源與環境領域頂級期刊（Energy Environ. Sci., 2012, 5, 9765–9768）發表了領先的研究成果。 三、應用技術成果 雖然鋰空氣電池是非常有吸引力的電化學儲能體系，但要實現其廣泛應用，仍然有很多困難需要克服。對其中關鍵的空氣電極而言，主要有以下三個方面的問題：（1）氣體電極結構問題。不溶的放電產物Li2O2容易堵塞空氣電極，阻礙氧氣的擴散與進一步反應，使得其實際放電容量遠遠低于理論放電容量；（2）氧氣反應的動力學問題。氧氣在空氣電極上的氧化還原反應較為緩慢，導致充放電過程的過電位較大（通常大于1 V）；（3）界面問題。放電產物Li2O2與空氣電極的接觸界面問題，直接影響充電過程，使得Li2O2不能被完全分解，造成鋰空氣電池的可逆性較差。 針對這些問題，研究團隊設計和合成出一種具有開放式結構的劍麻狀Co9S8材料，并首次將其作為鋰空氣電池正極。其開放狀結構不僅為反應產物提供了豐富儲存空間，有效避免不溶Li2O2對空氣電極的堵塞。而且，特殊的開放式結構有利于氧氣的俘獲與釋放，為高效快速電極反應提供保障；其次，Co9S8具有優異的催化活性，有效改善了氧氣反應動力學，大幅度提高了電極反應速度；最后，Co9S8且具有良好的氧氣親和性，可以誘導氧氣在Co9S8納米棒表面反應生成過氧化鋰，形成優異的Li2O2/電極接觸界面，從而有利于充電過程中充分發揮Co9S8的催化效率，促進Li2O2的完全分解。所以，該Co9S8空氣電極綜合解決了上述三個方面的問題，相應的鋰空電池表現出優異的電化學性能。在50 mA g-1的電流密度下，可以獲得高達~6875 mAh g-1的放電容量，在控制放電容量為1000 mAh g-1的條件下，可以將充放電過電位降低至0.57 V，優于目前已報道的氧化物基催化劑。 仿生開放結構電極示意圖 四、合作企業 無