新型锂-空气电池关键材料及电池组研究取得进展

电池比能量不足严重制约了电动汽车的发展。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。

在国家自然科学基金委、科技部和中科院等的大力支持下，中国科学院长春应化所张新波研究员带领的科研团队在锂-空气电池研究方面取得一系列重要进展。

该团队通过抑制锂-空气电池电解液分解，调控空气电极固-液-气三相界面以及优化锂-空二次电池体系与结构，成功将锂-空气电池循环寿命从目前文献报道的最长100次大幅提高至500次。研究结果发表在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。

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；此外，通过借助和发挥稀土钙钛石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和倍率性能。

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。

(稀土资源利用国家重点实验室)