锂空气电池聚合物电解质研究进展开题报告

由于不可再生的化石能源在过去较短的时间里被大量消耗，造成人类社会能源危机和生态环境严重破坏，对人类及各类动植物的发展和生存造成了极大地威胁，因此解决能源危机和环境污染是目前人类社会急需解决的主要问题之一。为此寻找和开发利用可再生的或低碳的清洁能源成为了全球各国共同的战略目标 [1]。锂电池作为新一代的清洁能源，不仅能够避免对于环境的污染，还能方便人们的生活和工作。 自1996年亚伯拉罕报道以来，锂氧电池因其在各种类型的电池中能量密度最大而被认为是一种大规模的储能技术。

锂-氧电池的传统有机液体电解质易挥发，在开放系统的非水锂-氧电池中导致快速耗尽。此外，液态电解液渗透到空气电极的孔隙中会导致氧扩散受阻，导致电解液中溶解氧气体的电化学反应，并伴随着较大的极化。虽然在改善往返效率和循环寿命方面做出了重大的研究工作，但锂氧电池的安全性在很大程度上被忽视，这限制了锂-氧电池作为电动汽车（EV）电源的应用。因此，迫切需要可靠和安全的电解液来替代目前使用的易燃有机液体电解液 ADDIN EN.CITE ADDIN EN.CITE.DATA [2-4]。与无机固体电解液相比，聚合物电解质具有良好的加工性能和机械强度，是替代液体电解质的较好选择。聚合物电解质基固态Li–O₂电池的典型结构如图1所示，其由锂金属阳极、聚合物电解质和多孔氧气电极制成。阳极的基本电化学反应如（1）所示，而阴极的理想电化学反应基于Li₂O₂（2）的可逆形成/分解，因此，在（3）中总结了所提出的聚合物电解质锂氧电池的全反应。在标准条件下（25℃和1.0atm），当以Li₂O₂为主放电产物时，

阳极： Li==Li e^- Ea= —3.05 Vvs.SHE（阳极氧化）（1）

阴极： 2Li 2e^- O₂== Li₂O₂ Ec= —0.09 V vs.SHE（阴极氧化）（2）

总反应：2Li O₂==Li₂O₂ Eocv= 2.96V (电池总反应)（3）

聚合物电解质作为一种有前途的液体电解质材料，引起了学术界和工业界锂离子电池研究者的极大关注。与锂离子电池不同的是，锂空气电池由于其运行的不同而显示出很大的差异。在露天环境下，由于Li₂O₂、LiO₂、LiOH、L_i2CO₃和O₂等特殊的放电/充电产物的存在，使得锂空气电池中聚合物电解质的使用成为一个棘手的问题 ADDINEN.CITE ADDIN EN.CITE.DATA [6-8]。

因此，为了克服这些巨大的挑战，需要进行大量的研究工作，主要集中在聚合物电解质的稳定性、离子导电性、界面化学和功能化。聚合物电解质的稳定性是影响电池寿命的关键因素之一，主要通过一系列途径来实现：（1）开发特殊的抗氧化剂来抑制氧环境中聚合物基体的恶化；（2）新型聚合物基质的设计和制备，其聚合物侧链上缺乏高度吸电子/亲电官能团，且氢原子没有与上述无吸电子基团的电子相邻[11, 12]：（i）阳极、聚合物电解质和阴极之间的兼容性，（ii）改善固态电解质中的锂离子转移，（iii）使用高效催化剂开发高性能阴极。最后，阻碍聚合物基电解质锂-空气电池广泛应用的长期挑战是如何阻止污染物从阴极到阳极的交叉，这会降低锂阳极的性能，从而影响电池的性能。具有高阻氧性和良好疏水性的功能性聚合物电解质可以有效地防止氧/二氧化碳和水的侵入，保证聚合物基电解质锂-空气电池的稳定循环性能。为了获得聚合物电解质的疏水性能，需要聚合物电解质的疏水表面，该表面可以由低表面自由能的疏水材料（例如氟化合物或硅化合物）构成 [13]。另一方面，使用具有疏水基团（–CH₂-）的聚合物基质将成为获得具有疏水性能的聚合物电解质的替代途径，用于开发聚合物基电解质锂-空气电池 14-16]。

尽管已经取得了实质性进展，但在满足聚合物基电解质锂-空气电池的要求之前，聚合物电解质仍有一些基本问题需要解决，为了进一步开发锂-空气电池，世界各地仍需要进行大量的研究工作。本文综述综述了近年来锂电池的常用的正负极材料，固态电解质的种类和特点，以及对空气电极/电解质界面研究进展进行总结，并提出相应的展望。