非水系锂空气电池的正极材料和电解液研究进展

锂空气电池的能量密度是传统锂离子电池的5~10倍, 可与汽油相媲美。近几年来, 锂空气电池因此受到了人们的广泛关注。本文概述了锂空气电池正极材料和电解液的最新研究进展。从商业碳、具有特定形态的碳材料、催化剂、导电聚合物几个方面阐述了正极材料;从物质结构的角度, 简要介绍了锂空气电池中常用的酯类、醚类、砜类、胺类和离子液体等电解液。最后指出了目前锂空气电池存在的问题, 并对其进行了展望。     

非水系锂空气电池碳基正极材料

锂空气电池因其极高的理论能量密度和环境友好等优点,有望成为下一代车用动力电源体系。然而,目前锂空气电池尚存在许多的问题和挑战,就正极而言,空气电极活性低的问题已成为制约锂空气电池技术发展最为重要的问题,因此,开发高性能锂空气电池正极催化剂一直以来都是该领域的重要研究课题。碳基催化剂(正极材料)是目前最具吸引力的锂空气电池正极材料之一,近年来得到了广泛的关注和研究。本文总结和介绍了近年来国内外在多孔碳基材料、石墨烯基材料、掺杂碳材料等碳材料作为锂空气电池正极材料方面的进展,包括本课题组在非水系锂空气电池正极材料方面的研究工作,并对碳基正极材料的发展及其在锂空气电池中的应用前景做了展望。     

基于有机和组合电解液的锂空气电池研究进展

发展纯电动汽车与混合动力汽车是解决能源危机与环境问题的有效途径,这对新能源材料及储能设备提出了更高的要求. 其中以金属锂作为负极、以空气中的氧气作为正极活性物质组成的锂-空气二次电池具有很高的理论比能量,因在纯电动汽车、混合动力汽车方面有很好的应用前景而受到人们的广泛关注. 根据工作环境及介质条件,目前研究最多的锂-空气电池主要包括有机电解液、有机-水组合电解液及全固态电解质三种类型. 由于锂-空气电池的发展历史较短,目前仍处于起步阶段,在电池的正极、负极、电解液（质）及综合性能等方面均存在诸多的困难与挑战. 本文从作者课题组对有机电解液及组合电解液型锂-空气电池方面的研究出发,旨在向读者简单介绍锂-空气电池的发展历史,研究现状及未来努力的方向.     

非水系锂氧气电池正极材料研究现状

锂氧气电池因其具有接近汽油的比能量密度而备受人们的关注。随着研究的深入,研究人员发现锂氧气电池的实用化面临着诸多挑战,如高的过电位、循环性能不佳、能量效率难以保持较高水平等。这一系列问题直接与负极的腐蚀、电解液的分解、正极材料的结构和ORR/OER催化剂催化活性有着非常紧密的联系。本文着重对近三年非水系锂氧气电池正极材料的研究进行综述,将锂氧气电池正极材料的研究分为碳基复合材料和无碳基复合材料进行概括,阐述了不同类别的催化剂和正极材料微观结构对锂氧气电池的充放电性能、循环稳定性、循环效率等性能的影响,并对后续的研究工作做一定的展望。     

高比能锂-硫电池研究进展

随着全球经济快速发展对高效绿色能源需求的不断增长,锂-硫电池因具有较高的能量密度,成为了下一代高能量密度二次电池研发的重点.然而,锂-硫电池面临的循环寿命短、库仑效率低、安全性能差、较高自放电等问题,使其目前还很难实现商品化.锂-硫电池存在的这些问题主要与正极活性硫材料的高绝缘性、放电过程中产生的多硫化物溶解于电解液、硫正极在充放电过程中的体积膨胀与收缩、以及锂负极支晶化等有关.通过从锂-硫电池硫复合正极、电解液、黏结剂和负极等4个方面综述了高比能锂-硫电池的最新研究进展,其中重点介绍了硫正极复合材料的进展情况.     

锂硫电池用多孔碳/硫复合正极材料的研究

锂硫电池具有高的理论比容量和理论能量密度,被认为是当前最有前景的二次电池体系之一。现阶段锂硫电池的研究工作主要集中于高性能硫正极材料的设计与合成。具有优良的导电性、良好的结构稳定性和多孔结构的纳米碳材料,比如活性碳、介孔碳、超小微孔碳、多级结构多孔碳、空心碳球和空心碳纤维,充分满足了锂硫电池正极材料对碳基体的要求。本文综述了近年来多孔碳/硫复合材料作为硫正极的研究进展。总结了以具有不同结构特征的多孔碳基体负载硫组装的锂硫电池的电化学性能,并分析了不同多孔结构对性能的影响。最后在此基础上,从多孔碳/硫复合正极材料的设计和合成的角度,展望了其未来的发展趋势。     

锂-硫电池研究现状及展望

锂-硫电池由于具有高比能量以及硫廉价易得等优势而受到人们的广泛关注. 但其实际应用仍面临着来自于正极、电解液以及负极等方面的诸多挑战,具体包括硫正极的溶解、多硫化合物的“穿梭效应”及金属锂负极的枝晶问题. 本文以课题组近期的研究结果为主线,综述了近两年来关于锂-硫电池的研究进展,重点探讨了碳硫复合物正极、硫化锂正极、复合隔膜设计和电解液方面的研究进展,并总结了各方面存在的问题.     

锂硫电池硫碳复合正极材料研究现状及展望

二次锂硫电池被视为最具有发展潜力的下一代高能量密度二次电池之一. 但由于正极硫的电导率低（5×10^-30 S·cm^-1）,且在放电过程中产生的中间体多硫化物易溶于有机电解液,致使锂硫电池活性物质利用率降低,溶解后的多硫化物还会迁移到负极,被还原成不溶物Li2S2/Li2S而沉积于负极锂,使电极结构遭受破坏,造成电池容量大幅衰减,循环性能差,从而限制了进一步的开发应用. 研究表明,以碳作为导电骨架的硫碳复合正极材料能在不同程度上解决上述问题,从而有效提高了锂硫电池的放电容量和循环性能. 本文综述了近年来国内外报道的各种锂硫电池正极材料的研究进展,结合作者课题组的研究,重点探讨了硫碳复合正极材料,并对其今后的发展趋势进行了展望.     

锂离子电池正极界面修饰用电解液添加剂

提高电压是提高锂离子电池比能量的重要途径之一。例如,LiNi_0.5Mn_1.5O₄(4.7 V)、LiNiPO₄(5.1 V)和富锂锰基等电极材料在较高的充电截止电压下表现出较高的能量密度和较低的成本,具有很好的应用前景。另外,提高LiCoO₂和三元电池体系的充电截止电压是提升电池能量密度的简单有效措施。但是,当电池充电截止电压提高时,不仅会造成电解液在正极/电解液界面的氧化分解,还会加速正极中金属阳离子在电解液中的溶解,造成电池循环性能和安全性下降。采用不同的正极界面修饰用电解液添加剂,既可以有效钝化正极/电解液界面,抑制电解液的分解,还可以有效抑制正极结构的破坏。本文从添加剂的分子结构出发,介绍了磺酸酯、硼酸酯、磷酸酯、氟代碳酸酯、腈类、酸酐和锂盐等添加剂在正极界面的相关研究成果,并对不同添加剂的作用机理进行了详细的解释和归纳;另外,介绍了添加剂的联用技术在不同电池体系中的最新研究成果;最后,对新型正极界面修饰用电解液添加剂的开发进行了展望。     

有机硫化合物在锂硫电池中的应用

锂硫电池具有理论能量密度高、环境友好和成本低等优点,有望成为替代锂离子电池的新一代储能系统。然而,锂硫电池充放电产物的绝缘性、可溶性多硫化锂的穿梭效应、硫正极体积膨胀及锂枝晶的不可控生长,严重影响了锂硫电池的实际容量发挥和循环稳定性。为解决上述问题,采用有机硫化合物来替代单质硫作为正极材料是有前途的策略。调控有机硫化合物的硫链、碳链及其相互作用,可改变其电化学反应过程,提高离子/电子电导,抑制穿梭效应。有机硫化合物作为电解液添加剂,可调控硫正极的反应过程并保护金属锂负极,作为聚合物电解质的改性链段可加速锂离子传导。本综述对有机硫化合物在锂硫电池的正极、电解液添加剂和固态电解质中的应用研究进展进行详细的阐述。将有机硫化合物的结构、反应机理和电化学性质联系起来,为解决锂硫电池存在的问题提供见解。最后,提出高性能有机硫化合物的设计合成和机理研究思路,以期实现可实用化的锂硫电池。     

A Li-O2/CO2 battery

A new gas-utilizing battery using mixed gas of O(2) and CO(2) was developed and proved its very high discharge capacity. The capacity reached three times as much as that of a non-aqueous Li-air (O(2)) battery. The unique point of the battery is expected to be the rapid consumption of superoxide anion radical by CO(2) as well as the slow filling property of the Li(2)CO(3) in the cathode.     

Effect of CO2-induced side reactions on the deposition in the non-aqueous Li-air batteries

This paper presents a non-aqueous Li-air battery model that considers the side reactions of lithium carbonate (Li₂CO₃) formation from both electrolyte decomposition and carbon dioxide (CO₂) in the ambient air. The deposition and decomposition behaviors of discharge products, the voltage, and capacity evolutions during the cycling operation of the Li-air batteries are investigated. The deposition behavior analysis implies that the Li₂CO₃ generated by electrolyte decomposition is mainly distributed near the separator side, while it is dominantly generated by Li-O₂/CO₂ reaction near the air side. The formation of Li₂CO₃ by side reactions makes the Li-air batteries exhibit a peak discharge deposition inside the cathode. Moreover, Li₂CO₃ is difficult to decompose and gradually accumulates with cycles, especially near the air side. The severe accumulation of Li₂CO₃ near the air side significantly reduces the O₂ diffusion into the electrode, which induces severe cycling performance decay of the Li-air batteries. According to the distribution and evolution of the deposition, three simple hierarchical cathode structures with high porosities near the air side are finally studied. The simulation results indicate that the increase of the local porosity near the air side substantially improves the cycling performance of the Li-air batteries.

     

非水体系锂-空气电池研究进展

锂-空气电池是目前已知具有最高能量密度的二次电池,有望成为未来电动汽车的动力电源。由于其能量密度高、环境友好以及成本较低,成为广大科研工作者研究的热点,在过去二十年间与之有关的研究已经在反应机理、电极结构、催化剂及电解液等各方面都取得了很大进展,但受诸多因素限制,其实用化仍然任重道远。本文总结了近几年来非水体系锂-空气电池在反应机理、正极材料、催化剂、电解液以及锂负极等方面的最新研究进展,并在此基础上展望其未来的发展方向。     

锂电池Li／KIBr2—非水体系的研究

本非水电池体系由Ｌｉ负极、多孔石墨电极和电解质溶液组成；电解质溶液由无机溶剂ＰＯＣｌ＿３（或有机溶剂硝基苯）和溶解在该溶剂中的活性物质（ＫＩＢｒ＿２）及支持电解质构成。该电池体系的开路电压为８．５０伏左右，放电性能良好，可望在实际中得到应用。此外，对电池体系的反应机理也作了初步的探讨。     

Zinc–Organic Battery with a Wide Operation-Temperature Window from −70 to 150 °C

Aqueous zinc (Zn) batteries have been considered as promising candidates for grid-scale energy storage. However, their cycle stability is generally limited by the structure collapse of cathode materials and dendrite formation coupled with undesired hydrogen evolution on the Zn anode. Herein we propose a zinc–organic battery with a phenanthrenequinone macrocyclic trimer (PQ-MCT) cathode, a zinc-foil anode, and a non-aqueous electrolyte of a N,N-dimethylformamide (DMF) solution containing Zn²⁺. The non-aqueous nature of the system and the formation of a Zn²⁺–DMF complex can efficiently eliminate undesired hydrogen evolution and dendrite growth on the Zn anode, respectively. Furthermore, the organic cathode can store Zn²⁺ ions through a reversible coordination reaction with fast kinetics. Therefore, this battery can be cycled 20 000 times with negligible capacity fading. Surprisingly, this battery can even be operated in a wide temperature range from −70 to 150 °C.     

Insights into dimethyl sulfoxide decomposition in Li-O2 battery: Understanding carbon dioxide evolution

DMSO has been widely investigated as a potential electrolyte for the Li-air battery systems, however its stability has been a topic of debate in the research community. In this communication we have identified the side reaction products during the oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) on Au in dimethyl sulfoxide-based electrolyte for Li-air battery by a combination of in-situ analytical tools: EQCM, SNIFTIRS, DEMS and XPS, in particular the evolution of CO₂ from the solvent decomposition.     

Titanium nitride catalyst cathode in a Li-air fuel cell with an acidic aqueous solution

TiN was used as an oxygen reduction reaction (ORR) catalyst in a Li-air fuel cell with a non-aqueous/acidic aqueous hybrid electrolyte. The electrochemical properties of the TiN based catalyst and the single cell were extensively investigated. It is suggested that TiN has considerable electrochemical catalytic activity for Li-air fuel cells in a weak acidic solution.     

原位负载Au纳米层在锂空气电池正极中的电催化特性

通过自发交换法使Au与非水性锂空气电池中的泡沫镍集流体发生反应,实现了金纳米层催化剂的原位负载.将其作为非水性锂空气电池正极,研究了不同气氛(纯氧、大气和模拟大气)下电池的电化学性能.结果表明,Au纳米层催化剂对氧还原反应/氧逸出反应起到了双功能催化作用,使得氧气电极在不同气氛下的首次放电容量与电压均显著提升,容量分别提升至9169,1604和1853 m A·h/gcarbon;同时氧气电极在模拟大气下的充电过电位降低,能量效率提高,循环性能得到一定提升.