鋰空氣電池新型碳基材料的制備及其性能研究.pdf

1、近些年，鋰空氣電池由于具有超高的理論比能量引起了人們極大的關注。正極中通常使用的商業(yè)碳材料由于催化活性低、孔尺寸和孔體積較小導致電池極化大和放電比容量低。雖然功能碳材料作正極材料能獲得很高的放電比容量，但是高昂的造價一直阻礙著鋰空氣電池商業(yè)化的進程。本文制備出了一種廉價可用于鋰空氣電池的高性能新型碳基材料。
　　首先，通過碳化植酸摻雜的聚苯胺氣凝膠制備出一系列形貌不同的新型碳基納米材料，并通過對比其電化學性能篩選出最適合用于鋰空氣

2、電池的新型碳基材料。研究結(jié)果表明，以最佳性能的納米碳材料為正極材料的鋰空氣電池，在100 mA/g的電流密度下首次放電比容量高達12607.1 mAh/g、放電平臺在2.70 V，在100 mA/g的電流密度下限容500 mAh/g能夠循環(huán)26次，具有較好的倍率性能，電流密度到500 mA/g時放電比容量依然高達6930.1 mAh/g。這一系列新型碳納米材料均是摻雜有氮和磷的碳材料。雜原子氮和磷并不是由外部引入，而是前驅(qū)物中本身所含的

3、氮和磷在碳化時留在碳材料內(nèi)部形成了摻雜態(tài)的碳材料。研究表明，納米碳材料中摻雜氮能極大的提高納米碳材料的氧還原反應(ORR)催化活性，并且摻雜量越高，ORR催化活性越強。磷對納米碳材料的ORR的催化活性的提升不如氮。同時還考察了納米碳材料的微觀結(jié)構(gòu)對放電性能的影響。研究表明，電池的放電比容量與納米碳材料中尺寸在10 nm以上孔的體積的成正比。
　　碳納米纖維是上述篩選所得性能最佳碳基材料。本文又選用碳納米纖維做空氣電極，進一步研究了

4、其充放電機制。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米纖維擁有鋸齒狀的表面，并且能夠構(gòu)筑多級孔道結(jié)構(gòu)，這樣的構(gòu)造可以提供更多的催化活性位點和通暢的氧氣傳輸通道。吡啶型氮和吡咯型氮出現(xiàn)在碳納米纖維中大大提升了碳材料的ORR催化活性。通過與商業(yè)碳材料Super P電化學性能對比發(fā)現(xiàn)，碳納米纖維的電化學性能遠超商業(yè)碳材料Super P，放電比容量達到石墨烯的水平。研究還發(fā)現(xiàn)，用碳納米纖維作正極材料的鋰空氣電池的放電和充電過程主要是Li2O2的可逆生成和分解過程，但在

5、充放電過程中會有少量Li2CO3生成和分解。在放電后的電極中能清晰的看到圓餅狀的Li2O2，充電后Li2O2消失同時有沒分解的Li2CO3遺留在多孔電極表面。Li2CO3堵塞孔洞是導致電池循環(huán)性能比較差的主要原因，Li2CO3不導電也造成了循環(huán)后阻抗的增加。同時還考察了鋰鹽對碳納米纖維電化學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，電解液中鋰鹽由原來的 LiPF6替換成LiTFSI以后，電池中電解液的阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗均減小進而提升了碳納米纖維的氧還原反應