【摘 要】
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在电动汽车和小型化电子设备迅猛发展的今天,随着锂离子电池性能的提高,电动汽车的行驶里程在不断增加。然而,由于电极材料比容量的限制,当前商品化锂离子电池的能量密度很难大幅度提升。高能量密度的电化学储能系统引起了人们广泛关注。锂氧气（Li-O2）电池负极采用金属锂,正极反应的活性物质来自空气中的氧气,能量密度可高达3505 Wh g-1。近年来对Li-O2电池的研究在很大程度上推进了 Li-O2电池的
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在电动汽车和小型化电子设备迅猛发展的今天,随着锂离子电池性能的提高,电动汽车的行驶里程在不断增加。然而,由于电极材料比容量的限制,当前商品化锂离子电池的能量密度很难大幅度提升。高能量密度的电化学储能系统引起了人们广泛关注。锂氧气（Li-O2）电池负极采用金属锂,正极反应的活性物质来自空气中的氧气,能量密度可高达3505 Wh g-1。近年来对Li-O2电池的研究在很大程度上推进了 Li-O2电池的发展。但Li-O2电池还存在许多挑战,包括充放电过程中极化电压过大、库伦效率过低、循环寿命短和锂金属负极腐蚀等问题。针对以上存在的问题,本论文的研究从以下两个方面开展:（1）采用KOH调控碳纳米管的微观结构,改善碳纳米管的孔道结构,提高了 Li-O2电池储存放电产物的能力。KOH刻蚀后在碳纳米管表面留下了大量缺陷位点,降低了多壁碳纳米管的壁厚,提升了正极催化剂三相界面处的传质。此外,缺陷位的存在为后续Ru纳米粒子的附着提供位点,提高了贵金属的利用率。以Ru@（CNTs:KOH=2:1）催化剂作为正极的Li-O2电池,在截止容量1000mAhg-1、电流密度300 mA g-1的测试条件下可循环194周。通过对比不同刻蚀程度下碳纳米管负载Ru纳米粒子后的SEM图发现,Ru@（CNTs:KOH=2:1）材料中Ru的分布较为均匀,Li-O2电池的极化电压为0.99 V。（2）锂金属负极很大程度限制了 Li-O2电池的循环性能。由于Li-O2电池是一个开放的体系,正极反应的活性物质氧气、副产物二氧化碳、以及氧还原中间体都会穿梭到负极导致锂金属腐蚀。采用磷酸三乙酯和锂金属反应在其表面生成一层复合保护层,从而提升了锂金属在Li-O2电池中的循环稳定性。在截止容量0.5mAh cm-2、电流密度0.25 mA cm-2的条件下,处理后锂片负极组装的锂-锂对称电池在氧气气氛下可稳定循环760h,未处理锂片负极组装的锂-锂对称电池只能循环约260 h。此外,在电流密度300 mA g-1,截止容量500 mAh g-1和电流密度300mAg-1、截止容量1000 mAhg-1的测试条件下,处理后的锂片负极组装Li-O2 电池分别可循环 149 周和 89 周,显著优于未处理的锂片。本论文通过调控电极的结构和组成提高了 Li-O2电池的性能。分析了正极催化剂微观结构对Li-O2电池性能的影响。同时,通过简单处理形成人工SEI膜保护锂负极,提高了锂金属的性能。
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