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充電機充電鋰氧電池與充電機充電鋰離子電池相比具有更高的理論比能量，吸引了學術界和工業界的廣泛關注。充電機充電鋰氧電池基于Li2O2的可逆生成與分解，其理論能量密度高達3600Wh/kg，是現在較為成熟的鋰離子充電機充電電池的5-10倍，被公認為唯一可以與汽油相媲美的新型能源。非水溶劑鋰-空氣充電機充電電池在發展過程中的諸多科學問題，并尚未得到根本解決，如：氧氣電極反應歷程尚不明確；充電機充電電池放電突然死亡；充電機充電電池充電過電勢高等。本課題組近年來從以上幾個方面做了較為系統的研究工作，對深入了解和解決空氣正極問題具有重要的理論價值和應用意義。

1、電位調控反應中間產物O2-和LiO2的生成機制

非水系充電機充電鋰氧氣電池的反應過程主要受正極氧還原生成過氧化鋰的過程控制。但是，該過程仍然需要更加深入的研究。本文中，我們建立合理的理論模型，研究了在金電極表面，含有鋰離子的DMSO電解液中的氧還原反應過程的反應機理。通過原位Raman光譜分析檢測反應過程的中間產物，并且結合密度泛函理論計算，我們發現超氧離子和超氧化鋰的形成過程主要受電極電壓控制，該過程決定了過氧化鋰的形成機制。在低放電過電勢下，我們檢測到超氧離子首先在電極表面形成，然后擴散進入電解液中形成過氧化鋰，即溶液相歧化反應機理。在高放電過電勢下，我們檢測到超氧化鋰在電極表面被快速地還原成過氧化鋰，即表面相反應過程。溶液相形成的過氧化鋰過程，可以解釋之前廣泛報道過的環形過氧化鋰放電產物。超氧離子的形成決定反應過程的起始電位。超氧化鋰的形成說明反應過程由溶液相反應機理變為表面相反應機理。我們新的研究結果加深了人們對DMSO溶液中含Li+的氧還原反應過程的理解，對非質子系充電機充電鋰氧氣電池深入的發展具有非常重要的意義。

2、氧氣電極反應界面的電荷輸運和反應位點

在充電機充電鋰-氧氣電池放電過程中，氧還原放電過程生成的無論是晶態Li2O2，還是非晶態Li2O2，均會阻塞多孔空氣電極表面，造成充電機充電電池放電的突然終止，使的放電容量遠低于理論容量。為了提高鋰氧充電機充電電池的實際容量，弄清電極放電突然死亡的原因是至關重要的。為了探究電極反應的活性位點和反應終止時的反應受限條件，我們構筑Li2O2阻塞電極，原位測量納米尺度Li2O2的電子和離子電導率，并結合同位素標記手段（18O2+16O2）及SERS技術研究了鋰-空氣充電機充電電池的充放電反應過程，發現在充電機充電電池放電終止時，氧還原反應發生在電極|Li2O2界面，電解液中的鋰離子和氧氣能夠傳質通過先前生成的 Li2O2薄膜到達電極表面，放電反應受限于電子的傳輸；在充電過程中，氧化反應首先發生在電極|Li2O2界面，充電反應仍受限于電子傳輸。

3、高性能Li-O2充電機充電電池:HMPA基電解液與LiPON|Li負極

非質子系充電機充電鋰氧氣電池由于其遠高于現今鋰離子充電機充電電池體系的理論能量密度受到人們的廣泛關注。然而目前的鋰空氣充電機充電電池主要面臨以下幾個問題：放電生成的過氧化鋰對電極表面的鈍化/阻塞；氧化過程中高充電電壓以及在充電機充電電池循環過程當中反應副產物的積累。通過提高充電機充電電池組分的穩定性，抑制放電中間產物（LiO2，O2-）及終產物（Li2O2）對充電機充電電池組分的化學侵蝕，可有效減少非水溶劑鋰-空氣（氧氣）充電機充電電池內的副反應，提高充電機充電電池性能。本文中，我們研究了一種新型充電機充電鋰氧氣電池電解液——六甲基磷酰三胺(HMPA)。該電解液對過氧化鋰，碳酸鋰和氫氧化鋰的溶解度分別高達0.35, 0.36，1.11×10-3 M。此外LiPON 保護的金屬鋰負極可以在六甲基磷酰三胺電解液中實現高效可逆循環。與之前基于醚類電解液的充電機充電鋰氧氣電池相比，新型六甲基磷酰三胺電解液體系充電機充電鋰氧氣電池在容量，倍率性能，循環效率和循環壽命等方面都獲得更加優異的性能。更重要的是，DEMS、FT-IR、PXRD與NMR表征結果證明了在六甲基磷酰三胺基鋰空氣充電機充電電池運行過程中，是過氧化鋰近乎可逆地生成和分解，不發生任何副反應。

4、LiO2：低溫化學合成及反應活性研究

LiO2是非水溶劑鋰-空氣（氧氣）充電機充電電池放電過程中的一個重要反應中間體，由于其在常溫下不穩定，難制備，且沒有商售產品。因此，對LiO2的反應性質了解匱乏，僅限于理論猜測和模型假說。為研究LiO2的化學/電化學反應性，我們采取低溫合成技術，在液氨中制備了高純LiO2，并對其反應性質進行了系統研究。結果顯示，與Li2O2、O2-等相比，即使在-78 ?C的液氨環境中，LiO2仍具有極強的反應活性。避免非水溶劑鋰-空氣（氧氣）充電機充電電池在放電過程中生成LiO2，或是大大縮短LiO2在放電過程中的存活時間，可有效減少副反應，提高充電機充電電池性能。

綜上所述，結合先進的原位表征技術和理論計算，對電極電位調控放電反應機制，弄清充電機充電電池放電突然死亡的根本原因和受限因素，并對放電產物晶態形貌及電化學特性進行了研究，近日采用冷凍法合成出放電中間產物LiO2，證明了LiO2是反應活性最高的放電產物，除此之外，首次引用HMPA電解液結合LiPON保護的Li負極，應用于Li-O2充電機充電電池中，組裝出具有高容量、高倍率、高效率、長循環的高性能Li-O2充電機充電電池。從深入基礎理論研究，到開發出高性能Li-O2充電機充電電池都取得一定的初步成果。