【摘要】：近年來,柔性電子發(fā)展迅猛在諸多領(lǐng)域取得了大量進展。與此同時,人們對與之相匹配的柔性儲能器件的要求也越來越嚴格。鋰空氣電池因其具有超高的能量密度,而受到人們的廣泛關(guān)注,有望應(yīng)用于下一代柔性電子產(chǎn)品。然而當前鋰空氣電池還處于研究初期階段,還有許多關(guān)鍵的科學(xué)問題亟需解決。鋰空氣電池目前的電化學(xué)性能還較低、電解液易揮發(fā)不穩(wěn)定、鋰金屬負極容易被腐蝕及粉化、電池難以在空氣中正常運行、剛性結(jié)構(gòu)難以滿足柔性器件應(yīng)用需求、安全性較差等問題,限制了鋰空氣電池的進一步發(fā)展。針對上述這些問題,我們在催化劑的合成、電解質(zhì)的制備、負極的保護、柔性電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面開展了研究,取得的主要研究結(jié)果如下:通過光催化的方法,在鋰金屬棒表面原位生成一種凝膠聚合物電解質(zhì)。該凝膠電解質(zhì)具有良好的柔性、疏水性、電化學(xué)穩(wěn)定性和較高的離子電導(dǎo)率,能夠為鋰金屬負極提供全面的保護�；谠撃z電解質(zhì)和柔性的碳布正極,成功組裝了一種新型的纜式柔性鋰空氣電池。該電池具有良好柔性,且在多種彎曲條件下或反復(fù)彎曲后,都能表現(xiàn)出良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。甚至當部分電池浸泡在水中,也依然能正常工作,證明了電池具有很高的安全性。受到“化整為零”思想的啟發(fā),制作了一種具有陣列式結(jié)構(gòu)的超輕薄的可穿戴鋰空氣電池。并且合成了一種在碳納米管管道內(nèi)負載二氧化釕納米粒子的催化劑,作為正極材料應(yīng)用于鋰空氣電池提高了電池的整體性能。相比于普通的碳納米管材料,管內(nèi)負載二氧化釕后的碳納米管表現(xiàn)出更高的能量轉(zhuǎn)換效率、放電容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。在電流密度200 mA g-1、限容量500 mAh g-1情況下,電池能夠循環(huán)288次。此外,由于獨特的電池結(jié)構(gòu),這種超輕薄的可穿戴鋰空氣電池在反復(fù)彎折10000次后,電化學(xué)性能依然沒有衰減。而且,基于電池整體重量計算得到的電池重量能量密度為294.68 Wh kg-1,體積能量密度能達到274.06 Wh L-1,遠高于鋰離子電池和傳統(tǒng)的鋰空氣電池。在鋰金屬上原位制備了一種多功能聚合物電解質(zhì)保護層,其具有多種優(yōu)異性能,如高柔韌性、疏水性、化學(xué)/電化學(xué)/熱/機械穩(wěn)定性。該保護層的引入,改善了負極與電解質(zhì)的接觸界面,減緩了空氣中的有害氣體對負極鋰的腐蝕,提高了負極的循環(huán)壽命。從而提高了鋰空氣電池在空氣中工作時的容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性(從循環(huán)24次提高到95次)�；诒Ｗo后的鋰金屬負極和高效的MnOOH催化劑,成功制備了一種袋式柔性鋰空氣電池,展現(xiàn)出較高的柔性、穩(wěn)定的機械性能、長循環(huán)壽命(空氣中循環(huán)180次)。此外,該袋式柔性鋰空氣電池還表現(xiàn)出優(yōu)異的安全性,電池即使在反復(fù)的彎折、浸泡水后、高溫下和釘子穿透后仍能穩(wěn)定工作。
【圖文】：

逡逑１．２．２鋰空氣電池的結(jié)構(gòu)與原理逡逑如圖１－２所示，根據(jù)鋰空氣電池電解液的使用類型，通常將鋰空氣電池分為逡逑四類：有機系鋰空氣電池、水系鋰空氣電池、正極水系負極有機系的混合系鋰空逡逑氣電池、全固態(tài)鋰空氣電池，，每種體系都各有優(yōu)缺點［６３］。逡逑ＡＰＲＯＴＩＣ邐？邐ＡＱＵＥＯＵＳ邐０＾逡逑Ｕｔｈｉｕｍ邋Ｍｅｔａｌ邋邋邐邐？＿＿邋ｆｌｊ邐Ｌｉｔｈｉｕｍ邋Ｍｅｔａｌ邋邋邐■逡逑Ｓｏｌｉｄ－Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邋Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ邐１邐Ａｒｔ—邋邐１逡逑Ａｐｒｏｔｉｃ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邐１；邋ｐ邋＾ ＊邋°２邋Ａｑｕｅｏｕｓ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邋＋邐—邋0２逡逑ＵＡ邋ａｃｔｉｏｎ邋Ｐｒｏｄｕｃｔ

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【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM911.41

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本文編號：2594040