【摘 要】
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锂空气电池作为一种高效、清洁的储能系统,凭借着超高的能量密度、平稳的放电形式和长时间的存储寿命,有望成为化学电池的主流方向。但由于锂空气电池存在循环次数少、充放电过程过电位较大等问题,在一定程度上限制了它的应用范围。聚合物电解质隔膜是锂空气电池中的关键材料之一,研究锂离子在隔膜中的传递特性对于提高锂空气电池性能具有重要意义。本文参考大量国内外有关锂空气电池的文献,详细介绍了锂空气的分类、工作原理和
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锂空气电池作为一种高效、清洁的储能系统,凭借着超高的能量密度、平稳的放电形式和长时间的存储寿命,有望成为化学电池的主流方向。但由于锂空气电池存在循环次数少、充放电过程过电位较大等问题,在一定程度上限制了它的应用范围。聚合物电解质隔膜是锂空气电池中的关键材料之一,研究锂离子在隔膜中的传递特性对于提高锂空气电池性能具有重要意义。本文参考大量国内外有关锂空气电池的文献,详细介绍了锂空气的分类、工作原理和关键材料。根据理论研究基础,搭建了有机电解液锂空气电池测试平台,并对有机电解液锂空气电池进行了电化学性能测试研究,重点研究了电解质隔膜厚度对锂空气电池性能的影响以及锂空气电池隔膜介观传递特性。论文的具体研究内容如下:利用化学中和法制备了不同厚度的全氟磺酸锂(PFSA-Li)离子交换膜并将其组装在电池模具中,通过对电池整体充放电测试、循环伏安(CV)测试以及电化学阻抗谱(EIS)测试,分析并总结了锂空气电池的充放电特性、循环伏安特性和交流阻抗特性。研究结果表明:离子交换膜厚度会影响电池的放电比容量,离子交换膜越薄,放电比容量越大;降低离子交换膜厚度可以减小锂空气电池的欧姆阻抗,提高锂空气电池的循环次数。为探究锂离子在锂空气电池隔膜内的扩散规律,采用自行设计的离子交换膜传质测试装置对锂离子在隔膜内的传递特性进行了试验。利用双光束紫外可见分光光度计测定溶液吸光度,应用达西定律计算锂离子扩散系数,分析了温度、有机液体含量和锂盐浓度对锂离子在PFSA-Li膜内跨膜传递的影响。试验发现:改善环境温度,提升PFSA-Li膜内有机液体含量,选择恰当锂盐浓度,有助于锂离子在PFSA-Li膜内的传递。模拟部分从介观角度研究了锂离子在有机电解液锂空气电池隔膜中的传质特性。采用耗散粒子动力学DPD模拟方法,使用分子模拟软件Materials Studio构建了 PFSA-Li离子交换膜、有机溶剂乙二醇二甲醚(DME)与溶质六氟磷酸锂(LiPF6)的粗粒化模型。分析了 PFSA-Li膜中锂离子通道三维拓扑结构,研究了温度、有机液体含量和锂盐浓度对PFSA-Li膜中锂离子扩散行为的影响。模拟发现:当PFSA-Li膜内有机液体含量达到一定程度时,离子团簇相互连接,最终形成贯穿膜的连续海绵状通道;升高温度、增加膜内有机液体含量有利于锂离子在PFSA-Li膜中的扩散;当锂盐浓度为1.0 mol/L时,锂离子扩散最佳。
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