發(fā)布時(shí)間：2020-06-20 14:23

【摘要】：在當(dāng)今高度信息化的社會(huì)背景下,各類柔性便攜式電子設(shè)備逐漸出現(xiàn)在我們的生活當(dāng)中,并改變著我們的生產(chǎn)生活方式。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,柔性電子設(shè)備也越來越智能,功耗也越來越大,這就為與之相匹配的電源系統(tǒng)提出了更高的挑戰(zhàn)。鋰空氣電池由于其超高的理論能量密度,被認(rèn)為是很有前景應(yīng)用于柔性電子設(shè)備的一種電源體系。然而,目前鋰空氣電池發(fā)展仍處在初級階段,關(guān)于柔性鋰空氣電池更是鮮有報(bào)道。缺乏高性能柔性鋰空氣電池正極材料以及落后的電池構(gòu)型設(shè)計(jì)大大阻礙了鋰空氣電池柔性化的發(fā)展進(jìn)程�；谏鲜鰡栴},本論文主要圍繞高性能鋰空氣電池柔性正極材料的制備以及柔性器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與集成,開展了以下工作:1.通過原位CVD一步合成的方法,在不銹鋼網(wǎng)基底上原位生長了氮摻雜碳納米管(N-CNTs@SS)作為一體化自支撐柔性鋰空氣電池正極材料。該方法采用三聚氰胺代替可燃性氣體作為固體碳源跟氮源,具有操作簡便,安全性高等特點(diǎn)。同時(shí),得益于對毛細(xì)血管組織高擴(kuò)散性結(jié)構(gòu)的成功模仿,該仿生柔性電極具有大量的多級孔道和三維貫穿的空間結(jié)構(gòu)以及高電導(dǎo)率、超強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、超疏水、超親電解液等特性。該電極在鋰空氣電池中展現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能,包括高達(dá)9299 m Ah g-1的比容量以及超過200圈的循環(huán)壽命。此外,我們以N-CNTs@SS為正極材料,同時(shí)引入凝膠電解質(zhì)與離子液體電解液,設(shè)計(jì)組裝了一種一維纜式柔性鋰空氣電池。該柔性鋰空氣電池具備良好的柔性變形能力,并可在潮濕空氣穩(wěn)定運(yùn)行相當(dāng)長一段時(shí)間,這既能夠滿足柔性器件對電源可以柔性變形的需求,又能夠滿足柔性電池需要在空氣中運(yùn)行的實(shí)際要求。2.碳材料由于其本征性質(zhì),不可避免的會(huì)在鋰空氣電池運(yùn)行過程中發(fā)生分解,帶來不可逆的副反應(yīng),從而影響電池性能。為此,我們通過水熱電沉積的方式,首先在碳布表面原位生長了高穩(wěn)定性的Ti O2納米線陣列作為框架,隨后在Ti O2納米線表面均勻包裹了一層具有高催化活性的Ru O2納米層制備了一種高性能柔性鋰空氣電池正極材料,避免了碳作為活性材料的使用。具有金屬導(dǎo)電性的Ru O2納米層通過優(yōu)化電極表面性質(zhì),一方面提高了電極的電子電導(dǎo)率,另一方增加了電極表面活性位點(diǎn),同時(shí)也改變了放電產(chǎn)物的生長方式。采用該電極組裝的鋰空氣電池具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,包括大比容量、低充放電過電位、高倍率性能以及長循環(huán)穩(wěn)定性。此外,以該電極為柔性正極材料,我們通過強(qiáng)化負(fù)極結(jié)構(gòu),制備鋰空氣電池專用柔性導(dǎo)氣層,創(chuàng)新封裝方式,優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)成功組裝了二維平面狀柔性鋰空氣電池。3.貴金屬的使用雖然可以在一定程度上降低鋰空氣電池的充放電過電位,但高昂的價(jià)格限制了其大規(guī)模應(yīng)用,而且通過提高電極催化活性降低的充放電過電位十分有限�；诖�,我們通過三聚氰胺輔助氮化的方法,在相對較低的溫度下將Ti O2納米線部分轉(zhuǎn)化為Ti N,制備了Ti O2/Ti N復(fù)合光電雙功能柔性鋰空氣電池正極材料。Ti N良好的電催化活性以及電極獨(dú)特的三維陣列多孔結(jié)構(gòu)為電極帶來了優(yōu)異的電池性能,放電容量接近10000 m Ah g-1。同時(shí),利用Ti O2半導(dǎo)體的光生空穴效應(yīng),我們將太陽能引入到鋰空氣電池充電過程中,通過光生空穴效應(yīng)所產(chǎn)生的價(jià)帶氧化能力輔助Li2O2分解,將電池的充電過電位降到了-0.02 V,充放電過電位也僅為0.19 V。作為一個(gè)概念驗(yàn)證試驗(yàn),我們采用該正極組裝了柔性鋰空氣電池并通過與柔性太陽能電池集成在一起,設(shè)計(jì)了一個(gè)集能量轉(zhuǎn)化、存儲與釋放一體化的柔性自供電能源系統(tǒng),極大拓寬了柔性鋰空氣電池的應(yīng)用場景。更重要的是,通過對鋰空氣電池放電產(chǎn)物分解過程的探究,我們證明了采用該雙功能電極的鋰空氣電池通過太陽能輔助充電以及利用太陽能電池驅(qū)動(dòng)充電的可行性。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM911.41;TB302
【圖文】：

圖 1.1 各種電池體系的能量密度對比圖[32]。Fig. 1.1 Practical specific energy densities of various types of battery[32]. 鋰空氣電池的工作原理鋰空氣電池，也被稱作鋰氧氣電池，通過負(fù)極中的鋰跟正極中氧氣之間的電來實(shí)現(xiàn)化學(xué)能跟電能之間的可逆轉(zhuǎn)變[42-44]。如圖 1.2 所示，根據(jù)電解質(zhì)的種類電池主要分為四種類型，水系鋰空氣電池[45-49]，非水系鋰空氣電池[50-53]，固電池[54-59]以及混合體系鋰空氣電池[60-65]。早在 1976 年，Littauer 跟 Tsai 等人水系鋰空氣電池的概念，然而金屬鋰極易跟水發(fā)生反應(yīng)而消耗掉，同時(shí)危險(xiǎn)大，這嚴(yán)重制約了水系鋰空氣電池的應(yīng)用[66]。隨后，Abrahma 等人在 1996 年于有機(jī)聚合物電解質(zhì)的非水系鋰空氣電池進(jìn)行了研究，該體系的鋰空氣負(fù)極屬鋰，但由于其采用了對鋰穩(wěn)定的碳酸酯類電解液，很好的避免了金屬鋰與

圖 1.2 四種不同類型的鋰空氣電池示意圖[69]。Fig. 1.2 Schematic of the four different architectures of Li-air battery[69].而，由于在實(shí)現(xiàn)高能量密度和延長循環(huán)壽命等方面存在技術(shù)瓶頸，鋰空來的十年中并沒有引起廣泛關(guān)注。直到 2006 年，Bruce 課題組通過 X 射及原位質(zhì)譜等表征手段對非水系鋰空氣電池體系進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在充氣正極上發(fā)生的反應(yīng)是基于 Li2O2生成跟分解的可逆反應(yīng)[70]：Li++ 2e-+ O2 Li2O2(E0=2.96 V)于該實(shí)質(zhì)性的研究成果，非水系鋰空氣電池迅速吸引了世界范圍內(nèi)科研并一躍成為研究熱點(diǎn)。根據(jù)理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基于 Li2O2在充放電過分解途徑，研究者提出了多種非水系鋰空氣電池正極反應(yīng)機(jī)制，目前比正極界面放電反應(yīng)機(jī)制為[53,71-78]：

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 楊曉陽;柔性鋰空氣電池正極材料制備及器件集成研究[D];吉林大學(xué);2019年

本文編號：2722548