高能量密度鋰空氣電池的相關(guān)研究.pdf

1、非水系鋰空氣電池的理論能量密度是現(xiàn)有鋰離子電池的5到10倍，可與汽油相媲美，因此近幾年來(lái)鋰空氣電池受到了人們的廣泛關(guān)注。鋰空氣電池主要由三部分組成:負(fù)極金屬鋰，電解液和空氣催化電極。鋰空氣電池的儲(chǔ)能原理是基于金屬鋰與氧氣的反應(yīng)。然而由于鋰空氣電池體系中所發(fā)生的反應(yīng)是氣液固三相參與的反應(yīng)，因此影響鋰空氣電池的電池性能的因素有很多。本論文以開(kāi)發(fā)高性能的鋰空氣電池為目標(biāo)，對(duì)鋰空氣電池的主要組成進(jìn)行了研究，并運(yùn)用非原位的XRD，紅外以及SEM等

2、分析測(cè)試手段對(duì)鋰空氣電池充放電過(guò)程中的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析與探討，對(duì)于發(fā)展鋰空氣電池具有極其重要的意義。而在這篇論文中我們主要研究以下幾個(gè)方面:空氣催化電極碳材料，離子液體電解液及濕度的影響。論文的三部分工作內(nèi)容如下:
　　1.空氣電極碳材料的研究
　　以VGCF為原料，采用傳統(tǒng)的Hummers法制備了一種新型的含碳納米管中脈的樹(shù)葉狀氧化石墨烯，作為鋰空氣電池的空氣催化電極材料進(jìn)行了研究。并且與含商業(yè)的碳納米管和普通的氧化石墨

3、烯以及兩者質(zhì)量比1∶1的簡(jiǎn)單混合物的鋰空氣電池進(jìn)行了電性能比較。采用改進(jìn)的Hummers法制備的樹(shù)葉狀氧化石墨烯能夠有效綜合氧化石墨烯和碳納米管的優(yōu)點(diǎn)，因此具有了碳納米管的優(yōu)良導(dǎo)電性和氧化石墨烯的多反應(yīng)活性位點(diǎn)性，從而表現(xiàn)出極其優(yōu)異的循環(huán)性能和大容量性能。因此得出結(jié)論，具有優(yōu)良導(dǎo)電性和多反應(yīng)活性位點(diǎn)的材料具有更高的催化活性，能夠使Li2O2和O2之間相互轉(zhuǎn)換，從而提高鋰空氣電池的性能。
　　另外，材料的孔道結(jié)構(gòu)也會(huì)影響鋰空氣電池的

4、性能。研究表明，有序的介孔通道可以為電解液的浸潤(rùn)和鋰離子的傳輸提供了便利，而大孔則不僅有利于氧氣的擴(kuò)散，也為L(zhǎng)i2O2和O2之間的相互轉(zhuǎn)換提供了空間。因此我們采用模板法合成了介孔大孔多級(jí)孔的碳球陣列。由于鋰空氣電池充放電過(guò)程中發(fā)生的反應(yīng)是氣液固三相參與的反應(yīng)，而我們合成的產(chǎn)物的分層次多孔結(jié)構(gòu)可以為其提供有序的三相反應(yīng)活性界面，從而提高鋰空氣電池的性能。另外，其有序的分層次多孔結(jié)構(gòu)在充放電過(guò)程中能夠較好地保持其原有的形貌，而這種結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)

5、定性改善了鋰空氣電池的循環(huán)性能。以不同含量的介孔大孔多級(jí)孔碳為活性物質(zhì)的鋰氧電池在相同條件下均獲得高于用Super P炭黑為活性物質(zhì)的鋰氧電池的比容量。綜合考慮循環(huán)和容量性能，該材料的最佳含量為30％。另外，其含量為30％時(shí)在不同電流密度下電壓極化差值均小于Super P炭黑的。并運(yùn)用非原位的XRD，紅外以及SEM等手段對(duì)充放電過(guò)程進(jìn)行分析，也證實(shí)了上述推測(cè)的介孔大孔多級(jí)孔碳性能優(yōu)異的原因。
　　2.一種離子液體電解液的研究

6、>　　鋰空氣電池的電解液主要包含電解質(zhì)和溶劑兩部分組成，其中溶劑的不穩(wěn)定性是限制鋰空氣電池發(fā)展的一大障礙。有機(jī)電解液是目前鋰空氣電池中研究最多的電解液體系。然而，最近的研究表明，高催化活性的氧自由基能夠分解大部分的有機(jī)電解液，包括在鋰離子電池中最常用的有機(jī)電解液。而離子液體由于其固有的低揮發(fā)性，不易燃性和對(duì)氧高穩(wěn)定性等特點(diǎn)而有可能成為鋰空氣電池電解液的希望。我們以γ-MnOOH納米棒為催化劑，在新型的EMIMBF4-LiNTf2離子液體

7、對(duì)鋰空氣電池的電池性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，在EMIMBF4-LiNTf2離子液體中，鋰空氣電池表現(xiàn)超大的放電容量和較好的循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)我們還在該電解液中，對(duì)以γ-MnOOH納米棒和α-MnO2納米棒為催化劑以及沒(méi)有催化劑的鋰空氣電池進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)含γ-MnOOH納米棒催化劑的鋰空氣電池在相同電流密度下表現(xiàn)出優(yōu)于含α-MnO2納米棒催化劑或不含催化劑的鋰空氣電池的放電容量以及放電電壓平臺(tái)。因此，我們得出初步結(jié)論以EMIMBF4-LiN

8、Tf2離子液體為電解液，用γ-MnOOH納米棒為催化劑，兩者的綜合實(shí)用能夠有效地改善鋰空氣電池的電化學(xué)性能。其超長(zhǎng)的循環(huán)穩(wěn)定性歸因于該離子液體對(duì)氧氣的穩(wěn)定性和較寬的電化學(xué)耐壓窗口，而且γ-MnOOH納米棒能夠催化離子液體中的氧氣還原進(jìn)程，從而提高了鋰空氣電池的放電電壓平臺(tái)和放電容量。這一結(jié)果表明合適的離子液體電解液和高催化性能的催化劑對(duì)發(fā)展可充放鋰空氣電池十分重要。
　　3.濕度對(duì)鋰氧電池電化學(xué)性能的影響
　　為了發(fā)展真正意

9、義上的鋰空氣電池，即氧氣來(lái)自于周?chē)諝庵?，所以研究濕度?duì)鋰氧電池性能的影響是十分必要的。因此，我們分別在干燥的純氧中，相對(duì)濕度為15％的純氧中以及相對(duì)濕度為50％的空氣中比較了鋰氧電池性能，并分析了濕度對(duì)碳基空氣催化電極所發(fā)生的反應(yīng)的影響。電化學(xué)研究表明鋰空氣電池的放電容量隨著相對(duì)濕度數(shù)值的升高而增大，而循環(huán)性能和倍率性能卻隨相對(duì)濕度數(shù)值的升高而變差。而非原位的XRD，紅外以及SEM測(cè)試結(jié)果表明濕度不僅影響Li2O2/O2，LiCO3/