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交大团队探究锂空气电池大孔动力学过电位行为
发布日期:2018-04-24

非水锂空气电池因具有能量密度高、绿色环保等优点,是目前备受关注的电化学能量存储体系,但存在着倍率性能低、过电位高和循环性能差等一系列问题。传统的阴极催化剂往往被设计成介孔结构以提供锂空气电池所需要的大量的氧还原或氧析出的活性位点。然而生成的微米尺寸的放电产物往往会堵住阴极催化剂材料的介孔孔道,不仅影响充放电过程的电解液的输运和空气的扩散,还会引起催化剂的失活,导致充放电过电势过高。一般认为,大孔结构只是促进电解液或反应物在活性位点上的传输,而不会增大催化剂的活性表面。作为微米尺寸放电产物的主要储存空间,大孔对锂空气电池的性能有着怎样的影响,锂空气电池过电位高与哪些因素相关是研究人员广泛关注的问题。  

近期,上海交通大学化学与化工学院陈接胜教授、王开学研究员团队在探究锂空气电池大孔的动力学过电位行为方面取得重要进展,以氧化锌纳米棒阵列为硬模板,通过反相途径引入了蜂窝煤状大孔孔道,获得了多级孔结构的自支撑碳膜;通过调节前驱体溶胶在氧化锌模板中的浸渍高度,制备了具有导通大孔结构的多级孔碳膜和一面闭孔、一面通孔的碳膜,用作锂空气电池无粘结剂自支撑的阴极,获得了优异的倍率性能。发现电极表面大孔的横截面积是影响锂空气电池恒流放电曲线电压滞后的一个主要因素,并基于大孔横截面积和锂离子迁移的固相反应过程,建立了锂空气电池过电位的动力学方程。 

 

 

图1. (a,b)导通孔碳膜(HPCM)正反面的扫描电镜图;(c,d)盲孔碳膜(HPCM/C)的正反面扫描电镜图。正面指电池组装时,正对着锂片的碳膜表面。

 

 

图2. (a)不同大孔结构的碳膜组装锂空气电池示意图;(b) 不同大孔结构碳膜的充放电曲线。(c) 不同大孔结构碳膜的倍率性能。(d) 不同大孔结构碳膜在不同电流密度下的容量保持率。

该成果“Free-Standing Li-O2 Battery Air Cathode Based on 3D Hierarchically Porous Carbon Membranes: the Kinetic Overpotential of Through Macropores”发表在最近的德国应用化学(Angew. Chem. Int. Ed.)上,博士生许树茂是第一作者,王开学研究员为通讯作者。该研究成果得到了国家自然科学基金 (51472158, 21331004) 和国家重大科学研究计划 (2014CB932102) 的支持。  

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