基于LiOH生成和分解的可循环锂氧电池外文翻译资料

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基于LiOH生成和分解的可循环锂氧电池

可充电的质子惰性溶剂体系锂空气（锂氧）电池是潜在的下一代的能源储存技术。,但其实际应用仍然面临许多挑战.相比于标准的锂空气电池,其循环经由Li₂O₂的产生和分解,在充放电过程中,我们使用了石墨烯氧化物电极,LiI作为添加物,甲醚作为溶剂可逆的生成和移除直径大于15微米的结晶化锂粒子.在0.2V的电压差距下实现了高比容量,极佳的能量效率以及印象深刻的电学性能.改电池可以容纳大量的水,作为LiOH主要的质子源,LiI是在放电产物的化学性质和电池性能上起到决定性的影响.

在过去十多年中,可充电非水性锂空气电池已引起了极大的关注,因为其相较于传统的锂电池拥有更高的的理论比能量,一个典型的锂空气电池由锂负极,非水性锂离子电解液及多孔正极材料,在放电过程中,O₂在正极与锂离子结合而减少,产生不溶性的放电产物(Li₂O₂)充满多孔电极.多孔电极并不是活性物质,而是由导电稳定的架构承载的产物,更轻的电极材料提供更高的比能量.在充电过程中,先前生成的放电产物必须清理干净防止电池在接下来的几个充放电周期出现故障,因为电极的毛孔会被反应产物以及副反应产物迅速堵塞.

许多基础的问题依然制约着锂空气的实际应用.第一个涉及的问题是其可逆容量问题(进而到能量密度).这是由多孔材料的孔体积决定的.这就制约了放电产物的总数及放电产物能生成多大的晶体.在理论上最终的能力实现极端的情况—放电的大单晶长成占据整个正极容积的产物,这远不是目前所达到的.通常使用的SP/科琴碳电极具有相对小的孔隙尺寸和体积,其放电产物的体积通常小于2微米,其容量被限制在＜5000毫安每小时每克碳 ( mAsdot;h/g c ).除此之外,使用更小的孔材料会导致毛孔堵塞,阻碍O₂与锂离子的扩散以及在循环过程中生成过电位.第二,许多副反应在循环过程中发生,包括电极材料,电解质,中间产物以及最终的放电产物.这些分解反应的主要原因包括氧气减少生成中间产物的超氧离子,超氧离子可以轻易的攻击绝大多数的电解质并且在充电过程中产生过电位.往往需要除去不导电的,会导致一些电池组分氧化的放电产物,比如说主要的电解质.先前的研究表明3.5V是最大的可接受的电压,在这个电压在不会出现明显的副反应.第三,充电和放电过程存在着很大的滞后现象(达到2V),导致极低的能量效率,制约着锂空气电池的实际应用.最后,锂空气电池对水以及二氧化碳极其敏感,生成更加稳定的氢氧化锂和锂的碳酸盐的状态,这些物质会在电池中逐渐积累最终导致电池失效.水和二氧化碳对于锂-金属阳极也是有害的.

提出了许多的方法来减少电压的滞后现象,包括使用催化剂,多孔结构电极,以及氧化还原介质.可溶性氧化还原介质比如:TTF和LiI被用来减小充电过程中电位过高的情况,使电压滞后现象下降到大约0.5V.该介质产生作用取决于中间介质的电化学氧化,该中间介质化学分解成Li₂O₂.因此充电电压接近中间介质的氧化还原电位.对于放电过程而言乙基甲基紫萝碱一对氧化氧化还原介质被用来减少O₂在液体电解质中而不是在固体电极表面,以及帮助保护固体电极表面被Li₂O₂堵塞.我们使用了氧化还原性的介质LiI并且报导了一个极高效率,高容量以及很低的过电位的锂空气电池.这个电池的经由LiOH的生成而不是Li₂O₂,而且它可以容纳大量的水.当前工作直接涉及一些关键问题与与此相关的电池技术。

图1.不同电极/电解质组成的电池的电化学简介.(A)使用中孔SP和 TiC,大孔的rGO的锂空气电池(容量限定在500 mAsdot;h/g,0.25 M LiTFSI/DME的电解质)的放电曲线,对于SP和rGO电极,在第二组将0.05 M LiI加入到 LiTFSI/DME电解质中(紫色和红色的曲线).(A)的所有电池以0.02mA/cm 2进行循环.水平虚线代表锂空气电池热力学电压的位置(2.96V).(B)0.05MLiI,0.25MLiTFSI恒流电池充放电曲线,不同电极不同电解质溶剂在氩气氛0.2mA/cm 2的电流.交叉点表明充电/放电曲线 I ^– /I ₃ ^–在特定电极,电解质系统中的氧化还原电位的位置.

一个锂空气电池由锂正极,0.25M的LiTFSI/DME电解液,并添加0.05MLiI和不同的电解液组分.使用多层次大孔rGO电解液是他们很轻,可导电,而且拥有大的孔体积可能具有大的容量.比较研究中孔的SP碳和TiC电解液.CV测量法证实 rGO, SP, TiC电解液在一个LiTFSI/DME中2.4至3.5V的电压窗口,具有良好的电化学稳定性,并且使用LiI进行可逆循环.

在充电过程中,缺少LiI,电池不论是使用中孔TiC或是rGO都会出现更小的过电位,与SP电极观察的结果相对比.过电位下降暂时归结为TiC的更高的催化活性,锂离子更快的扩散速度和 微米尺寸的大孔的rGO电解质.SP电极的添加物LiI引起过电位明显的下降相比于只有SP的电池,说明充电过程中极化主要是由放电产物的绝缘性质引起的.但是,充电电压曲线并不是平的,而是随着充电的进行逐渐上升至3.5V.与之相比,当使用多层次中孔rGO的LiI电解液时,在2.95V是可观察到一个明显的平台,说明对过电位有超过0.5V的降低.过电位的降低至少部分原因是由于rGO的相互联系的网状结构,这使得中间体的扩散更有效率相比于中孔性的SP电极,甚至在毛孔被绝缘的放电产物充满后.

对LiI/DME锂空气电池的充电电压为2.95V是值得注意的,这仅仅略低于锂空气电池2.96V的热力学电压.在充电过程中,氧化还原介质被认为是第一电极上的电化学氧化,这种氧化形式帮助化学分解放电产物.充电电压反映出氧化还原中间体I ^– /I ₃ ^–在电极/电解质系统中的氧化还原电位而不是氧化还原资料编号：[151495]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word