锂空气电池是一种负极为锂,正极活性物质为氧气的金属锂电池,它具有超高的能量密度,远高于目前车用的各种动力电池,被认为是电动汽车的终极电池。但目前锂空气电池仍存在循环次数低、正极放电副产物堆积较多等关键问题,而且锂空气电池阴极的反应机理存在较大争议。阴极上的氧还原反应特性是影响电池性能的主要影响因素,研究阴极氧还原反应对提高电池性能具有重要意义。本文通过阅读大量国内外锂空气电池的相关文献,针对锂空气电池的发展史、分类和工作原理,做了相关总结,并详细介绍了锂空气电池中的关键材料。根据理论研究基础,搭建了锂空气电池测试平台,对有机电解质锂空气电池进行了电化学性能测试研究,重点阐述了正极碳材料和催化剂对锂空气电池性能的影响。在试验工作中,利用锂空气电池测试系统和电化学工作站,分别测试了六种自制空气电极的充放电曲线、循环伏安曲线和电化学阻抗谱,采用等效电路法获得了锂空气电池的等效电路元件。通过XRD(X射线衍射仪)、拉曼验证了 RGO(三维还原氧化石墨烯)的可靠性,对充放电前后的六种空气电极进行了 SEM(扫描电镜)测试,分析了深度充放电和限容充放电两种充放电方法对锂空气电池循环性能的影响。结果发现,相比KB(科琴碳),采用MWCNTS(多壁碳纳米管)作为碳材料可以有效提高放电比容量,但几乎没有催化OER的作用。Pt催化剂可以明显降低电池的充电电位,但催化OER效果不明显,MnO2在OER和ORR反应上均表现出良好的催化效果。MWCNTS+MnO2空气电极表现出最好的电池循环性能。充放电前期,阳极/电解质界面处形成的钝化膜是电池的主要阻抗,随着钝化膜溶解,正极堆积的放电产物成为电池的主要阻抗,导致电池放电结束。模拟工作中,利用Materials Studio软件研究锂空气电池的阴极氧还原反应,根据密度泛函理论,利用分子动力学原理模拟了氧气和锂离子在锂空气电池中阴极催化层Pt(11 1)表面的吸附反应,针对最有效的氧吸附模型和锂离子吸附模型分别做了氧还原反应路径分析。通过模拟研究发现:氧吸附模型中模型1(O2的两个氧原子分别与两个Pt原子用单键相连)的吸附方式最容易发生,模型1中吸附的氧气在与锂离子的第一步反应中主要遵循2e反应过程;锂离子吸附模型中吸附模型C(锂离子与三个Pt原子单键相连)最容易发生,且只发生2e反应过程;2e反应路径初始生成Li2O2,在溶解氧富足时,在Li2O2上会继续生成下一个Li2O2;溶解氧不足时,Li2O2会进一步生成不可逆的Li2O结构,说明溶解氧不足不仅会影响电池的ORR反应,也对电池的可逆性造成不良影响。