基于生物炭材料的超长寿命的锂氧电池

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随着社会的发展和科技的进步,环境和能源已成为当今社会的两大主题。在此背景下,发展高比能量、清洁、安全的化学电源体系成为社会发展的重要需求。锂空/氧气电池则以能量密度高、环境友好、具有可逆性等优点显示出良好的应用前景。锂空/氧气电池的放电原理是基于金属锂与氧气的反应。在有机电解液体系中,负极金属锂失去电子形成锂离子并扩散到电解液中,同时氧气得到电子与锂离子结合形成不溶于有机电解液的锂氧化物,沉积在空气电极表面。目前,锂空/氧气电池技术尚处于发展初期,在大规模商业化前仍有大量技术问题需要解决。例如,对电池内部的化学反应缺少全面的认知,空/氧气正极孔道设计的不合理导致实际能量密度低下;电解液和碳电极的不稳定导致电池循环性能大大降低等等。针对这些问题,本文选择了一种全生命周期的环境友好的绿色材料——奇岗,来调控正极结构得到较高的能量密度和循环稳定性。通过将奇岗与KOH的混合物置于氮气气氛下,然后在900℃下高温裂解2h,得到活化后的生物炭。与此同时,用相同情况下制备的未活化的奇岗作为空白对照。并将其用于锂空/氧气电池的正极材料。基于活化后的奇岗的锂空/氧气电池表现出较高的容量和很好的循环稳定性。这一材料具有较好的ORR和OER催化活性,其多孔的蜂窝状结构可以对正极形貌进行调控,使得锂空/氧气电池性能得到明显的提升,与此同时,活化后的奇岗具有多孔的蜂窝状结构,以及巨大的比表面积(1474 m2/g)和孔体积(0.859 cm3/g),这不仅有利于氧气和电解液等反应物的传输,也为放电产物的堆积提供了充足的空间,与使用其他碳材料正极的锂空/氧气电池相比,使用活化后的奇岗材料的电池表现出了较好的比容量(9400 mAh/g在电流密度为0.02 mA/cm2),超长的循环寿命(在电流密度为0.2mA/cm2条件下,循环601周(容量限制在500 mAh/g)和295周(容量限制在1000 mAh/g))和高倍率性能(电流密度由0.02 mA/cm2到0.2 mA/cm2,Li-O2电池首次放电平台电压差为75mV),从而体现出这种材料以及制备手段的优越性。本研究主要通过选定一种生物炭材料——奇岗,经过两种不同的制备方法最终制备成氧电极,再制备成Li-O2电池来测试其性能,通过其优越的性能突出了该材料的优异性能,为锂空/氧气电池的进一步研究和应用提供了重要的数据和经验。
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