發(fā)布時間：2020-03-21 08:35

【摘要】：近20年以來,鋰離子電池作為新一代儲能體系,在消費類電子產(chǎn)品和電動汽車上有廣泛的應(yīng)用。但由于其受限于電極材料的理論能量密度,已經(jīng)難以滿足人們對更高能量密度儲能設(shè)備的需求。因此,發(fā)展更高理論能量密度的下一代儲能體系受到了人們的廣泛關(guān)注。非水系鋰空氣電池的理論能量密度大約為鋰離子電池的10倍,達(dá)到3458 Wh kg~(-1),因此是很有潛力和研究價值的體系。然而,鋰空氣電池有著體系無法避免的一些問題,從而限制了其發(fā)展。其中,一個重要問題在于其放電產(chǎn)物過氧化鋰具有不溶以及絕緣的特性。首先,這就導(dǎo)致了在充電過程中,與正極接觸不好的放電產(chǎn)物很難被完全分解,電池很難發(fā)揮出全部的容量;其次,由于其絕緣,在接觸不好時會使得電池在充電時,過電位非常大,大的過電位可能會造成電極材料和電解液的不穩(wěn)定,極易發(fā)生副反應(yīng),嚴(yán)重削弱電池的效率、穩(wěn)定性以及安全性;此外,副反應(yīng)得到的產(chǎn)物會在電極逐漸積累,堵塞氧氣和電解液的擴(kuò)散通道,也會使電極材料表面鈍化,降低電極材料表面的導(dǎo)電性,嚴(yán)重影響電池的循環(huán)壽命。很多方法從正極,添加劑或是電解液等方面來嘗試改善放電產(chǎn)物的溶解性,以及分解效率,從而改善由放電產(chǎn)物帶來的問題。本論文主要針對放電產(chǎn)物的問題,從電解液入手進(jìn)行了以下兩個方面的工作:(1)針對過氧化鋰難溶、絕緣的特點,采用一種新型的電解液:1,3-二甲基-2-咪唑啉酮(1,3-dimethyl-2-imidazolidinone,DMI),來改善這個問題。在放電過程中,通過與過氧化鋰及其中間產(chǎn)物作用,幫助溶劑化過氧化鋰,促使過氧化鋰進(jìn)行液相成核,從而提高其放電容量。該電解液相較傳統(tǒng)有機(jī)質(zhì)子惰性的電解液,能夠?qū)⒎烹娙萘刻岣叩?.5倍左右,同時可以有效降低電池的充電過電位。針對氧自由基對溶劑的親核攻擊導(dǎo)致電池循環(huán)性差的問題,通過加入抗氧化劑,穩(wěn)定溶液中的氧自由基,有效的提升電解液的穩(wěn)定性和電池的循環(huán)性能。(2)實驗中我們發(fā)現(xiàn),在鋰空氣電池復(fù)雜而具有強(qiáng)氧化性的環(huán)境中,尋找穩(wěn)定的電解液是及其困難的,所以,我們針對鋰空氣電池中不同類型的電解液,定量測定了Li_2O_2在電解液中的溶解度,并通過旋轉(zhuǎn)圓盤電極研究了其溶劑化過氧化鋰的效率以及副反應(yīng)的發(fā)生機(jī)制。這種方法相較裝電池的優(yōu)勢在于,排除了電池正負(fù)極、隔膜,以及電池其他組分的影響,使研究能夠?qū)Ｗ⒂陔娊庖罕旧淼淖兓靶Ч�。通過研究,發(fā)現(xiàn)了不同電解液溶劑化過氧化鋰的過程是不同的,這直接影響了過氧化鋰的氧化效率以及副反應(yīng)的程度,并且給出了不同電解液副反應(yīng)發(fā)生的機(jī)制,有助于我們更好的了解電解液本身和過氧化鋰之間的作用。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 mAh g-1，負(fù)極石墨的理論比容量是 370 mAh g-1，且工作電壓一般不超過 4，內(nèi)部的極化也會使電池的性能打折扣。所以綜合來看其實際能量密度很難Whkg-1。而新能源交通工具要代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，則需要 700Whkg-1的能量密，鋰離子電池還遠(yuǎn)不能滿足人們對高比能儲能設(shè)備的要求。基于對更大能量密度儲能體系的需求，新的鋰二次電池儲能體系正在被廣以期能夠代替鋰離子電池，特別是希望在動力汽車和儲能電站方面能夠有長各種電池儲能體系能量密度對比如圖 1.1 所示，其中，鋰空氣電池是現(xiàn)有的中，理論能量密度最高的儲能體系，同時，其正極的反應(yīng)活性物質(zhì)為氧氣，好，并且理論上可以直接從空氣中獲得，所以得到了業(yè)界極大的關(guān)注和研被認(rèn)為是具有潛力的下一代高比能儲能體系。

圖 1.2 非水系鋰空氣電池的構(gòu)造和充放電示意圖[2]通常的非水系鋰空氣電池中，放電反應(yīng)一般通過以下方式進(jìn)行：i++ O2+ e-→ LiO2iO2+ Li++ e-→ Li2O2 LiO2→ Li2O2+ O2反應(yīng): Li + O2→ Li2O2放電過程中，，負(fù)極的金屬鋰失去電子，生成鋰離子并傳輸?shù)秸龢O和電解氧氣結(jié)合成中間態(tài)產(chǎn)物 LiO2，如反應(yīng)(1.1)所示。而 LiO2并不能穩(wěn)定的來的反應(yīng)中，一部分 LiO2會在電極表面與 Li+繼續(xù)結(jié)合，生成 Li2O2(1在正極材料表面，這種方式被稱作表面成核；另外一部分 LiO2會在電，溶解在電解液中，然后再通過如反應(yīng)(1.3)所示的歧化反應(yīng)生成最后的O2，并以大顆粒的形式在電極表面形成，這種方式被稱為液相成核[4,5]。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM911.41

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本文編號：2593070