本文關(guān)鍵詞：可充電鋰空氣電池有機電解液的研究

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【摘要】：鋰空氣電池以其超高的理論能量密度,良好的功率、溫度特性,成為學(xué)術(shù)界研究熱點,是一種潛在可行的超大容量儲電系統(tǒng)。然而在催化劑、放電機理、多孔空氣電極及電解液等方面的諸多缺陷,尤其是電解液,嚴(yán)重影響了鋰空氣電池的性能與應(yīng)用。由此可見,開發(fā)性能穩(wěn)定的有機電解液具有重要意義。本文以LiNO_3-DMA有機電解液體系為基礎(chǔ),通過向其添加溶劑二甲基亞砜(DMSO)、四乙二醇二甲醚(TEGDME)及導(dǎo)電鋰鹽六氟磷酸鋰(LiPF_6)、高氯酸鋰(LiClO4)、雙三氟甲基磺亞胺鋰(LiTFSI),研究分析電解液物化性質(zhì)、恒流充放電及反應(yīng)機理,得出以下結(jié)論:1.以混合溶劑電解液LiNO_3-DMA/DMSO、LiNO_3-DMA/TEGDME為研究對象,DMSO的添加可以使鋰負(fù)極形成穩(wěn)定的SEI膜,有效增強了LiNO_3-DMA與鋰的化學(xué)兼容性,降低了極化阻抗,因此循環(huán)性能有所提高,截止比容量1000 mAh g-carbon-1,電流密度0.2mA/cm~2時,可穩(wěn)定循環(huán)40周。而TEGDME的添加降低了電池極化阻抗,但增大了電解液阻抗、加劇電解液與鋰的氧化,因而循環(huán)性能未得到提升,僅循環(huán)12周便出現(xiàn)了容量衰減,至18周容量衰減超過20%。降低電流密度至0.1mA/cm~2,由于TEGDME的添加降低了體系蒸氣壓,故也能一定程度改善循環(huán)性能,但LiNO_3-DMA/DMSO有高于LiNO_3-DMA/TEGDME的容量保持率。此外,溶劑的添加對電解液粘度影響較大,高于混合鋰鹽對電解液粘度的影響。SEM及XRD分析表明,LiNO_3-DMA和LiNO_3-DMA/DMSO放電均生成可循環(huán)產(chǎn)物L(fēng)i2O2,但DMSO中的疏水性甲基抑制了LiNO_3-DMA中副產(chǎn)物L(fēng)iOH的生成。此外LiNO_3-DMA循環(huán)過程中生成了含S化合物,是導(dǎo)致放電終止的重要原因。2.以混合鋰鹽電解液LiPF_6/LiNO_3-DMA、LiCl O4/LiNO_3-DMA、LiTFSI/LiNO_3-DMA為研究對象,LiPF_6的添加顯著提升了電解液與鋰的化學(xué)穩(wěn)定性,而其他兩種鋰鹽LiClO4和LiTFSI則加劇了鋰與電解液的氧化。由于混合鋰鹽的總量均為1mol/L,故混合電解液粘度與LiNO_3-DMA相比沒有明顯變化�；旌想娊庖旱碾妼�(dǎo)率、極化阻抗均明顯增大,其中電導(dǎo)率提升最為顯著的是LiPF_6/LiNO_3-DMA。電流密度0.2mA/cm~2時,循環(huán)性能LiPF_6/LiNO_3-DMA優(yōu)于LiNO_3-DMA,截止比容量1000 mAh g-carbon-1,穩(wěn)定循環(huán)42周。電流密度為0.1mA/cm~2時,LiNO_3-DMA和LiPF_6/LiNO_3-DMA均發(fā)生電池失效,LiClO4和LiTFSI的添加均一定程度的改善了LiNO_3-DMA體系的容量保持率,但放電容量較低。對LiPF_6/LiNO_3-DMA的XRD分析表明,其放電產(chǎn)物為Li2O2,但LiPF_6具有較強吸水性,因此生成較多的LiOH。3.基于DMSO和LiPF_6對體系LiNO_3-DMA均有優(yōu)化作用,因此進(jìn)一步以混合鋰鹽/溶劑有機電解液LiNO_3/LiPF_6-DMA/DMSO為研究對象,與單一鋰鹽、單一溶劑電解液的對比。結(jié)果表明,LiNO_3/LiPF_6-DMA/DMSO粘度大于LiNO_3-DMA,而電導(dǎo)率則高于所有單一溶劑混合單一鋰鹽,電解液阻抗介于LiNO_3-DMSO及LiPF_6-DMA之間。當(dāng)以電流密度0.2mA/cm~2充放電時循環(huán)次數(shù)雖然少于LiPF_6-DMSO,但較Li NO_3-DMA有了顯著提高。而以電流密度0.1mA/cm~2充放電時,兼具了LiNO_3-DMA的高放電容量和LiPF_6-DMSO的高容量保持率,且有效緩解了電解液降解的問題。LiNO_3/LiPF_6-DMA/DMSO放電產(chǎn)物為Li2O2,但對LiOH的生成無明顯抑制作用。
【關(guān)鍵詞】：鋰空氣電池 有機電解液 LiNO_3-DMA LiPF_6 DMSO
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.41
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-25
• 1.1 論文的研究背景與意義12-13
• 1.2 水基/非水基電解液鋰空氣電池反應(yīng)原理13-14
• 1.2.1 水基鋰空氣電池反應(yīng)原理13
• 1.2.2 非水基鋰空氣電池反應(yīng)原理13-14
• 1.3 非水基鋰空氣電池電解液的研究進(jìn)展14-21
• 1.3.1 有機電解液14-19
• 1.3.2 離子液體19-20
• 1.3.3 固態(tài)電解質(zhì)20-21
• 1.4 有機電解液鋰空氣電池的局限21-22
• 1.5 鋰空氣電池有機電解液的選擇依據(jù)22-24
• 1.5.1 溶劑的選擇23
• 1.5.2 鋰鹽的選擇23
• 1.5.3 添加劑的選擇23-24
• 1.6 論文的研究意義和主要內(nèi)容24-25
• 第二章 實驗及測試方法25-30
• 2.1 主要實驗試劑25-26
• 2.2 實驗設(shè)備和儀器26
• 2.3 實驗方法26-27
• 2.3.1 電解液的制備26-27
• 2.3.2 石墨烯空氣電極的制備27
• 2.3.3 電池的組裝27
• 2.4 材料表征及電化學(xué)測試27-30
• 2.4.1 X射線衍射27
• 2.4.2 掃描電子顯微鏡27-28
• 2.4.3 有機電解液與金屬鋰的化學(xué)兼容性28
• 2.4.4 有機電解液電導(dǎo)率28
• 2.4.5 有機電解液粘度28
• 2.4.6 電化學(xué)阻抗譜28-29
• 2.4.7 恒流充放電29-30
• 第三章 混合溶劑有機電解液對鋰空氣電池性能的影響30-42
• 3.1 引言30-31
• 3.2 混合溶劑對LINO_3-DMA物化性質(zhì)的影響31-37
• 3.2.1 電解液與金屬鋰的化學(xué)兼容性分析31
• 3.2.2 電導(dǎo)率與粘度31-33
• 3.2.3 電化學(xué)阻抗譜33-35
• 3.2.4 恒流充放電35-37
• 3.2.4.1 循環(huán)性能35-36
• 3.2.4.2 容量保持率36-37
• 3.3 LINO_3-DMA體系的產(chǎn)物表征37-40
• 3.3.1 LINO_3-DMA的SEM分析37-38
• 3.3.2 LINO_3-DMA的XRD分析38-39
• 3.3.3 LINO_3-DMA/DMSO的XRD分析39-40
• 3.4 本章小結(jié)40-42
• 第四章 混合鋰鹽有機電解液對鋰空氣電池性能的影響42-57
• 4.1 引言42
• 4.2 混合鋰鹽對LINO_3-DMA物化性質(zhì)的影響42-48
• 4.2.1 電解液與金屬鋰的化學(xué)兼容性分析42-43
• 4.2.2 電導(dǎo)率與粘度測試分析43-44
• 4.2.3 電化學(xué)阻抗譜44-45
• 4.2.4 恒流充放電45-47
• 4.2.4.1 循環(huán)性能45-46
• 4.2.4.2 容量保持率46-47
• 4.2.5 LIPF_6/LINO_3-DMA的XRD分析47-48
• 4.3 對混合鋰鹽/溶劑LINO_3/LIPF_6-DMA/DMSO的分析48-55
• 4.3.1 電解液與金屬鋰的化學(xué)兼容性分析49
• 4.3.2 電導(dǎo)率與粘度49-50
• 4.3.3 電化學(xué)阻抗譜50-51
• 4.3.4 恒流充放電51-54
• 4.3.4.1 循環(huán)性能51-53
• 4.3.4.2 容量保持率53-54
• 4.3.5 XRD分析54-55
• 4.4 本章小結(jié)55-57
• 第五章 結(jié)論57-59
• 致謝59-60
• 參考文獻(xiàn)60-66
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的成果66-67

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本文編號：730382