【摘要】：鋰氧氣電池憑借極高的理論能量密度(3500 W h kg~(-1))和充足的正極活性物質(zhì)來源(氧氣),從各種新型電池體系脫穎而出,成為未來儲(chǔ)能器件的候選。然而,鋰氧氣電池的發(fā)展尚處起步階段,有許多問題亟待解決:(1)氧氣和離子傳輸效率低下;(2)副反應(yīng)嚴(yán)重,循環(huán)穩(wěn)定性差;(3)電解液揮發(fā)、泄露,存在安全隱患。針對(duì)這些問題,本文在正極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面演化方面進(jìn)行了一系列研究,成果如下:(1)通過對(duì)碳納米管(CNT)薄膜和蓬松棉花層的層疊、卷繞、切片等操作,制備了一種新型的鋰氧氣電池正極結(jié)構(gòu),該正極具有垂直排布的氧氣擴(kuò)散和離子傳輸?shù)碾p連續(xù)通道。在這種新型正極中,CNT薄膜被高度蓬松的棉花層包圍,氧氣通過纖維空隙擴(kuò)散,鋰離子經(jīng)由棉花纖維傳輸,電化學(xué)反應(yīng)效率和反應(yīng)區(qū)域顯著增加,產(chǎn)物的沉積和放電容量明顯改善。此外,本文還使用了凝膠電解質(zhì),其高離子電導(dǎo)率和高電化學(xué)穩(wěn)定性保證了高效的電荷傳輸和穩(wěn)定的界面阻抗,其良好的機(jī)械性和柔性可以抑制電解液的揮發(fā)和鋰枝晶的生長。在新型正極結(jié)構(gòu)和凝膠電解質(zhì)的協(xié)同下,鋰氧氣電池具有高達(dá)13564 mA h g~(-1)的放電容量,并且可以保持262圈的穩(wěn)定循環(huán)(限容500 mA h g~(-1)),分別是傳統(tǒng)平鋪式正極的2.5和5.5倍。(2)通過液相混合、離心凍干和焙燒等過程合成了納米花狀Mo_2C,進(jìn)一步將其與多孔碳材料復(fù)合,得到了兼具高電子電導(dǎo)率和高催化活性的正極材料,促進(jìn)了電池反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行。Mo_2C表面的穩(wěn)定MoO_3非晶態(tài)膜,使該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的OER催化性能,有效降低了鋰氧氣電池的充電過電位,抑制了正極(碳材料)和電解液的分解,改善了電池的循環(huán)性能。與純碳正極相比,使用Mo_2C正極的鋰氧氣電池的比容量和倍率性能明顯提高,過電位顯著降低,且始終保持高水平、高穩(wěn)定的充放電。在Mo_2C及其表面MoO_3非晶態(tài)膜的作用下,鋰氧氣電池達(dá)到了7992 mA h g~(-1)的放電容量,循環(huán)壽命也從20圈增加到135圈(限容500mA hg~(-1))。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM912;TB383.1
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文在諸多下一代電池體系中，鋰氧氣電池憑借最高的理論能量密度（3500 W h kg-1）脫穎而出，其實(shí)際能量密度甚至可以媲美化石燃料[10-14]。這種極高的能量密度主要?dú)w因于其較為特殊的電極活性物質(zhì)組成：（1）以鋰金屬作為負(fù)極活性材料，鋰的密度小，具有最負(fù)的電位（-3.045 V vs SHE）和最高的質(zhì)量比容量（3860 mAh g-1），可以使電池在匹配正極時(shí)獲得更高的電池電壓和比容量；（2）以氧氣作為正極活性物質(zhì)，氧氣可以直接從外界獲取，進(jìn)而在電池內(nèi)部發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)，正極活性物質(zhì)得以脫離密閉電池的束縛，大大降低電池的重量和成本。鋰氧氣電池作為一種概念型的高比能二次電池，潛力十足，具有很大的發(fā)展空間和非凡的研究前景。因此在近十年內(nèi)吸引了國內(nèi)外大量科研人員的高度關(guān)注和研究，其工作機(jī)理也逐漸明朗。

圖 1.2 鋰氧氣電池放電產(chǎn)物的溶液和表面生成機(jī)制[30]Figure 1.2 Solution and surface formation mechanisms of discharge products for LOBs.[30]鋰氧氣電池的主要優(yōu)勢和科研難題鋰氧氣電池是下一代高比能電化學(xué)儲(chǔ)能體系的代表，近年來吸引了大量科研的關(guān)注和研究。這里將從幾個(gè)不同的角度探討鋰氧氣電池的優(yōu)點(diǎn)：

8圖 1.3 鋰氧氣電池性能的影響因素[35]Figure 1.3 Influence factors of performance for LOBs.[35]鋰氧氣電池的正極材料研究盡管多孔正極并非參與電化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)，看似與鋰氧氣電池的容量沒有直接關(guān)聯(lián)，但其起到的是不可替代的電子傳輸與氧氣擴(kuò)散的載體作用，相關(guān)的電化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)物沉積也切實(shí)地發(fā)生在多孔正極上。此外，正極材料對(duì)電池性能的間接影響是不容忽視的（詳見章節(jié) 1.4），電池的整體能量密度也對(duì)多孔正極提出了要求，因此鋰氧氣電池的正極材料和結(jié)構(gòu)成為鋰氧氣電池性能的先決條件之一。正極材料的表面積、孔隙度和催化能力等對(duì)電池性能有很大影響[35]，一個(gè)理想的鋰氧氣電池正極材料，通常需要滿足以下幾點(diǎn)條件：（1）適宜的孔隙結(jié)構(gòu)，包括孔隙率、孔徑和分級(jí)多孔（如微孔和介孔）；（2）比表面積大；（3）質(zhì)輕密度

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本文編號(hào)：2792065