锂氧电池Ti_(2)CT_(x)MXene基催化剂的表面调控

为了提高二维材料Ti_(2)CT_(x)MXene的催化活性,通过碱处理和热处理等表面处理技术对MXene进行调控,扩大MXene层间距,减少电化学活性差的-F端基,形成以丰富-O端基构成的t-Ti_(2)CT_(x)材料,并将其用作锂氧电池氧电极催化剂,研究其对电池性能的影响。结果表明:在100 mA/g电流密度下,t-Ti_(2)CT_(x)锂氧电池放电比容量为13150.2 mA·h/g,放电/充电过电位为0.17/0.65 V,均优于未处理的Ti_(2)CT_(x)电池性能。在电流密度为1000 mA/g、限容为500 mA·h/g条件下,t-Ti_(2)CT_(x)电池可稳定循环125次;限容1000 mA·h/g时可循环105次,且循环过程中放电电压均高于2.5 V,由此说明t-Ti_(2)CT_(x)锂氧电池实现了较好的电化学性能。

锂氧电池中过氧化锂生成路径之谜

固态放电产物过氧化锂(Li_(2)O_(2))与锂氧电池的性能密切相关,Li_(2)O_(2)会加剧浓差极化和电荷转移阻力,导致电压突降和较差可逆性。尽管先前的Li_(2)O_(2)生成理论有助于指导电池设计,但却难以解释Li_(2)O_(2)的全部行为,特别是那些非常规形态的Li_(2)O_(2)。因此,Li_(2)O_(2)的生成路径仍然是一个谜。本文回顾了近二十年来对Li_(2)O_(2)生成的认识过程,包括Li_(2)O_(2)形貌的变化、导致不同形貌的反应路径以及相应的反应界面。本文认为由于溶液路径与表面路径的动态耦合,一些Li_(2)O_(2)颗粒对电极表面具有强烈的依赖性,并基于实验结果和理论提出了一种可能的机制,以期开发更先进的表征技术来揭示Li_(2)O_(2)复杂的生成路径,并指引锂氧电池的发展。

MXene/CNTs复合正极在封闭结构锂氧电池中的性能研究

锂氧电池(LOB)具有超高的能量密度和比容量,使用过程中一般采用持续供氧方式运行,但容易造成有机溶剂挥发损失。设计了一种不需要持续供氧的封闭结构LOB,在1.0 A/g电流密度和1000 mAh/g固定比容量下,CNTs正极在持续供氧条件下LOB仅能正常循环56次;而封闭结构(101325 Pa)下可循环118次。进一步采用Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene/CNTs复合正极LOB在封闭结构101325 Pa氧压下可循环311次,全放电比容量达到37617 mAh/g,倍率性能也有明显提高。

三维网状结构Ru/石墨烯/碳纳米管复合材料作为锂氧电池正极催化剂的性能

利用物理浸渍和冷冻干燥等方法制备了具有三维网状结构的Ru/石墨烯/碳纳米管复合材料,对该材料的结构、形貌及电化学性能进行了表征和研究.结果表明,当Ru含量为30%,热处理温度为500℃时,材料的催化性能最优.将其用作锂氧电池的正极催化剂,以50mA/g电流密度进行首次充放电时,放电比容量约为5800mA·h/g,且在放电比容量为4000mA·h/g以内时,其极化电压仅为0.9V;当以50mA/g电流密度进行恒容(500mA·h/g)充放电循环时,在极化电压低于1.1V时,仍能稳定循环12周.复合材料电催化机理的研究结果表明,三维网状结构不仅提供了O2和Li^+的传输通道,更增加了放电产物Li2O2的储存场所.金属钌纳米粒子的负载既增加了复合材料的反应活性位点,又促进了放电产物Li2O2的分解.

锂氧电池复合电解质电化学性能研究

将LiPF_6溶入EC/EMC/DMC作为锂氧电池电解质主体,并分别加入[Emim]BF_4和[DEME]TFSI离子液体制成复合电解质材料,组装成锂氧电池。通过循环伏安、交流阻抗、恒流充放电等方式研究复合电解质的电化学性能。结果表明,LiPF_6溶入EC/EMC/DMC-[Emim]BF_4体系复合电解质表现出较优的电化学性能,在0.025×10^(–3)A·cm^(–2)电流密度下电池首次放电比容量为2 672×10^(–3)Ah·g^(–1),能量密度达6.468×10^(–3) Wh·cm^(–2)。

锂氧电池正极催化剂的制备及性能

为了降低电池极化现象,提升锂氧电池的电化学性能,采用液相扩散法制备锶掺杂的ZIF-8催化剂材料。以硝酸锶和乙酸锌为金属离子本体原料,以2-甲基咪唑为有机配体,以聚乙烯吡咯烷酮为结构导向剂,液相扩散获得锶掺杂的ZIF-8催化剂材料,并通过SEM和TEM测试考察材料的形貌,TGA测试验证材料的结构稳定性,同时借助电化学设备测试材料的电化学性能。实验结果表明:当硝酸锶和乙酸锌的摩尔比为2∶1时,得到的Sr-ZIF-8材料呈六边形片状的形貌;TGA测试表明该材料有较好的结构稳定特性;将材料制成电极应用到锂氧电池中,在100 mA/g的电流密度下,进行恒流充放电测试时,电池首圈可获得4048.5 mA·h/g的放电比容量,放电平台电压值为2.67 V,放电过程的过电势仅为0.29 V;在进行限容300 mA·h/g的条件下,同样的电流密度下可循环27圈,表现出了较好的循环稳定性能。

Ru@ZrO_(2)/C-273催化剂的制备及其在锂氧电池中的电化学性能

为开发具有高能量密度的锂氧电池,以PS微球为模板,合成了Uio-66衍生的ZrO_(2)/C-273复合材料,负载Ru后得到Ru@ZrO_(2)/C-273正极材料,组装锂氧电池,并对其性能进行了测试。实验结果表明:Ru@ZrO_(2)/C-273锂氧电池可以有效提高锂氧电池的放电性能,当电流密度为100 mA/g时,具有7429 m Ah/g的放电比容量,高于Ru@ZrO_(2)/C锂氧电池的放电比容量(6164 mAh/g);随电流密度的不断增加,Ru@ZrO_(2)/C-273锂氧电池在200 mA/g和300 mA/g的电流密度下分别可以获得6598 m Ah/g和4533 mAh/g的放电比容量;在限制比容量为500 mAh/g的循环测试中,Ru@ZrO_(2)/C-273锂氧电池具有较好的稳定性,可以稳定循环45圈。

锂氧电池双功能还原石墨烯-LaFeO3复合纳米催化剂的制备及性能

制备具有氧还原(ORR)与氧释放(OER)双功能催化活性的特殊孔道结构电催化剂是锂氧电池研究的挑战之一。本文以氧化石墨烯、硝酸铁、硝酸镧、柠檬酸为原料,结合溶胶凝胶和水热合成方法,制备出还原氧化石墨烯(RGO)与铁酸镧(LaFeO_3)复合的双功能催化剂(RGO-LaFeO_3)。X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱和Raman光谱分析结果确认该复合催化剂由纯相钙钛矿结构LaFeO_3和还原氧化石墨烯组成,扫描电子显微镜(SEM)观察到LaFeO_3纳米颗粒均匀地负载在RGO片层表面。锂氧电池测试结果指出,相对于LaFeO_3纳米粒子(NP-LaFeO_3),RGO-LaFeO_3催化剂具有更好的ORR和OER催化活性,归因于RGO特殊的三维导电多孔结构与LaFeO_3纳米粒子的协同催化作用。以RGO-LaFeO_3作为阴极催化剂的锂氧电池在限1000 m Ah?g^(-1)比容量、100 m A?g^(-1)电流密度条件下,可实现36周稳定的充放电循环,展示出良好的应用前景。

锂氧电池双功能催化剂的研究进展

综述了锂氧电池中氧电极用双功能催化剂的研究进展。重点介绍了金属合金、尖晶石、孔雀绿和钙钛矿等4种双功能催化剂的特征及电化学性能,认为尖晶石型和钙钛矿型催化剂的催化性能突出。展望了锂氧电池双功能催化剂的发展方向。

氮化钛纳米颗粒作为锂氧电池正极催化剂的电化学行为

采用直流电弧等离子体法在氮气和氢气气氛下制备氮化钛纳米颗粒,作为锂氧电池正极催化剂。通过透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等对材料进行微观结构表征,结果显示纳米氮化钛呈现立方结构,晶粒尺寸为30.00～60.00 nm,晶化程度良好。氮化钛纳米颗粒作为锂氧电池正极催化剂,电流密度为50 mA/g时,放电比容量达到3 037 mAh/g;在定容500 mAh/g,电流密度为75 mA/g时,电池可稳定循环,能量效率维持在62%左右。此外,充放电循环后电极片的XRD、SEM结果证明锂氧电池的主要反应为过氧化锂的生成与分解。

核壳结构的Co_3O_4@δ-MnO_2/Pt作为锂氧电池高效催化正极（英文）

通过简易、可控的水热方法在泡沫镍基体上直接生长了核壳结构的阵列型Co_3O_4@δ-MnO_2/Pt正极。阵列电极有利于电极的润湿、氧气的传输和Li_2O_2的负载。Co_3O_4@δ-MnO_2/Pt正极对氧还原和氧析出反应具有高的催化性能,可促使Li_2O_2依附Co_3O_4@δ-MnO_2/Pt阵列生长,从而保持阵列结构。该生长行为有利于Li_2O_2在充电时分解。以Co_3O_4@δ-MnO_2/Pt为催化正极的锂氧电池显示出高的容量(在电流密度100 mA·g^(-1)时容量为2 480 m Ah·g^(-1)),以及长的循环寿命(容量限定在500 mAh·g^(-1)时,在200mA·g^(-1)电流密度下,可循环65次),该性能超过了使用Co_3O_4或Co_3O_4@δ-MnO_2催化剂的电池。

锂氧电池正极催化材料研究进展

锂氧电池是一种用金属锂作负极,以氧气作为正极反应物的金属空气电池,由于其具备较高的能量密度且环境友好等优势,近年来备受关注.本文主要概述了锂氧电池正极催化材料的研究进展,包括金属有机框架材料、多孔碳材料及金属材料,并对其今后的研究方向以及应用前景进行了展望.

提高锂电极稳定性的方法及其在锂氧电池中的应用

以金属锂为负极的二次电池具有高的能量密度(3860 mAh/g),被誉为电池设计制造业的“圣杯”。但是由于金属锂与电解液反应形成的固态电解质(SEI)组成和结构不均匀、稳定性较差,使得在电池循环过程中,金属锂的沉积和析出伴随着枝晶与“死锂”的生成以及体积膨胀,容易造成电池短路、循环稳定性差、能量效率低等问题。此外,在具有高能量密度的锂氧电池中,锂负极还面临着与正极交互作用(如与正极活性物质氧气、放电中间体分解电解液产生的水分等反应)带来的腐蚀问题。本文对金属锂枝晶及腐蚀问题进行评述,涉及合金化锂负极、三维结构锂负极、表面处理、电解液成分、隔膜改性以及固态电解质等提高金属锂稳定性的方法。其具体包括锂与硅、锡、铝等金属形成的合金化电极;采用多孔金属(如镍、铜等)、多孔碳材料(如碳纳米管、石墨烯、碳纤维等)构筑三维结构电极及其亲锂性的改善方法;通过化学预处理、电化学预处理、抛光和制备保护膜等表面处理方式提高金属锂的稳定性;通过调整电解液溶剂、溶质、添加剂的成分或浓度等方法调控固态电解质的组成和结构,以增强其稳定性;采用高聚物和/或无机纳米材料的复合材料对传统电池隔膜进行改性以防止正负极交互作用;以及使用高锂离子电导率的固态电解质等。本文充分探讨了各种锂保护方法的基本原理,详细阐述了其改善金属锂稳定性的根本原因,阐明了各种锂保护手段对电池性能的影响及其存在的不足与相应的改进方法,并对锂电极保护在新型锂氧电池中的应用及前景进行了展望。

柔性锂氧电池的发展现状

柔性电子设备的飞速发展对可充式二次电池提出了越来越高的要求。柔性锂氧电池凭借着超高的理论能量密度,成为目前电池领域的研究热点,开发出高效、稳定、高机械强度及柔性的电池正极和负极是目前研究的关键。本文主要对柔性正极材料、锂负极的开发与设计进行简要介绍,并对该领域进行总结、展望。

含溴化铈的聚合物电解质在锂氧电池中的应用

采用溶液浇注法制备了含有溴化铈(CeBr_(3))的聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)基聚合物电解质,使其在锂氧(Li-O_(2))电池中的稳定性得到提升。用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶红外光谱(FT-IR)对Li-O_(2)电池循环后的极片和电解质进行形貌和成分分析;用电化学工作站和电池测试系统对Li-O_(2)电池进行电化学性能测试;研究了CeBr_(3)对聚合物电解质稳定性的增强作用。以放电终压下降至2 V为标准,当电流密度为500 mA/g、比容量为1000 mA·h/g时,传统PVDF-HFP基聚合物电解质的Li-O_(2)电池可循环47圈,而PVDF-HFP-CeBr_(3)基聚合物电解质的Li-O_(2)电池可循环长达112圈。

基于3D打印石墨烯气凝胶的非水系锂氧电池正极材料的研究

锂氧电池因其环境友好和高理论比容量的特性,近年来备受关注。采用3D打印技术,以还原氧化石墨烯(rGO)为基底,碳纳米纤维(CNF)为增强导电剂,二硫化钼(MoS)为催化剂制备rGO-CNF-MoS复合正极。通过X射线光电子能谱、扫描电子显微镜和氮气吸脱附等检测技术对其组成成分、表面形貌以及比表面积进行表征分析,通过恒流定容充放电测试、深度充放电测试,研究复合正极对锂氧电池性能的影响。研究结果表明装配rGO-CNF-MoS复合正极的非水系锂氧电池具有较低的充放电电势差(1.21 V)和较高的电化学容量,其放电面积比容量达到11.68 mAh·cm^(-2)。

锂氧电池阴极分级纳米多孔金失效分析

锂氧电池具有很高的理论比容量,作为锂离子电池的潜在高能替代品引起研究者极大兴趣。而阴极材料的选择和优化是提高锂氧电池性能的有效手段。为此,本文作者制备了可以同时实现高孔隙率和大比表面积的分级纳米多孔金(h⁃NPG),以此为阴极的锂氧电池展现出了优异的性能。而阻碍锂氧电池达到高理论比容量的一个重要原因是,电绝缘的放电产物过氧化锂(Li_(2)O_(2))会使电池阴极钝化,导致电池的容量迅速衰减和充放电循环次数降低。因此本文利用透射电镜(TEM)和电子能量损失谱(EELS)精准表征了锂氧电池阴极h⁃NPG在充放电过程中过氧化锂(Li_(2)O_(2))产物的微观结构演化,进而分析了Li_(2)O_(2)对阴极分级纳米孔道的影响,为新型阴极多孔材料提供了优化设计思路与失效判据。

氮化钛纳米颗粒作为锂氧电池正极催化剂的电化学行为

引言随着生活智能化的发展,各种电子产品、电动汽车等对电池的要求越来越高。目前所使用的锂电池的容量已接近其理论比容量372 mAh/g(针对石墨负极)[1],因此研究开发高比容量的新型电池体系尤为重要。锂氧电池具有能量密度高(11 430 Wh/kg,不包括氧气)、环境友好、可逆等优点而受到广泛关注[2-4]。

第一性原理研究硼掺杂氧化石墨烯对过氧化锂氧化反应的催化机理

锂-氧电池由于高能量密度在后锂离子电池中脱颖而出,而放电产物过氧化锂缓慢的氧化反应降低了电池的循环性能.因此,提高过氧化锂氧化反应动能、降低充电过电位对于实现高能量密度的可逆锂-氧电池具有重要意义.本文通过第一性原理计算,对比研究了氧化石墨烯(GO)和硼掺杂氧化石墨烯(BGO)对过氧化锂小团簇(Li_(2)O_(2))_(2)氧化反应的催化机理.结果表明,从(Li_(2)O_(2))_(2)团簇转移到GO和BGO上的电荷分别为0.59 e和0.96 e,B掺杂提高了电荷转移.4电子反应过程表明,(Li_(2)O_(2))_(2)团簇倾向于Li-O_(2)-Li分解路径,在GO和BGO上反应的速率决定步均是第三步去锂.在平衡电位下,GO和BGO的充电过电位分别是0.76 V和0.23 V,B掺杂大大降低了锂-氧电池充电过电位.机理分析表明B与O对(Li_(2)O_(2))_(2)团簇起到了协同催化的作用.

锂-氧气电池:正极催化剂的最新进展与挑战

非质子锂-氧气电池具有高理论能量密度,在过去几年里受到了广泛关注。然而,动力学缓慢的氧还原反应(ORR)/氧析出反应(OER)和放电产物Li_(2)O_(2)导电性差导致锂-氧气电池过电位大,放电容量有限,循环寿命短。开发有效的锂-氧气电池正极催化剂可以调控放电与充电过程中Li_(2)O_(2)的形成和可逆分解,减小放电/充电极化。尽管提升ORR/OER动力学的正极催化剂已经取得了一系列重要进展,但是对正极在放电和充电中Li_(2)O_(2)生成和分解过程的理解依然是不足的。这篇综述聚焦于锂-氧气电池正极催化剂的最新进展,总结了催化剂与Li_(2)O_(2)生成/分解的作用关系,本文首先指出了锂-氧气电池正极面临的科学问题,包括动力学缓慢的ORR/OER过程和导电性差的反应产物Li_(2)O_(2)钝化电极,并提出了锂-氧气电池正极设计准则。通过对最近报道的正极催化剂进行分类讨论,明晰调控催化剂活性位点策略,理解在正极反应过程中不同催化剂的活性位点对反应中间产物的吸附状态,以及对Li_(2)O_(2)生成和分解的作用机制,评估了不同类型正极催化剂在锂-氧气电池的潜在应用。最后总结了锂-氧气电池正极催化剂依然存在的挑战,例如阐明正极催化剂活性位点与附着的Li_(2)O_(2)界面在充放电过程中的变化,并揭示了设计高效正极催化剂的决定因素,展望了通过光/磁协助、负极保护以及电解液设计等策略,进一步推动锂-氧气电池的应用。