有序介孔/大孔多级孔碳:一种高性能的可充锂-氧电池催化剂

与传统的镍氢电池和铅酸电池相比,现有锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点,因此已经被广泛应用于手机、数码相机以及笔记本电脑等小型用电设备。目前,大型锂离子电池被认为是最具有潜力的汽车动力电池。国内外诸多研究机构和汽车生产厂家正在着手于车用锂离子电池的研究,并已经实现了部分商业化。但是,现有锂离子电池的能量密度仍远小于传统的燃油内燃机,因此电动汽车的续航里程受到了很大限制。在过去的20年中,人们已付出了大量的努力去提高锂离子电池的能量密度,然而收效甚微。因此,近年来具有超高理论能量密度的锂-氧电池引起了广泛的关注。

可充锂-氧电池的基本构成包括:氧催化电极(即正极)、金属锂负极以及无水电解液。放电过程:氧气在正极得到电子被还原,并与电解液中的锂离子结合形成Li2O2沉淀。同时,在负极金属锂转化为锂离子,并释放电子。充电过程:放电产物(Li2O2)被氧化,生成氧气和锂离子,同时释放电子。同时,锂离子在负极得到电子被还原为金属锂。根据金属锂和氧气的质量计算,这类可充电池的理论能量密度约为3500Wh/kg, 是现有锂离子电池的5-10倍,因而在近期得到了广泛关注。然而,锂-氧电池的发展依然面临着诸多障碍,其中氧催化电极就是限制其性能的关键因素之一。根据上述工作机理可知,锂-氧电池的放电产物是没有任何电子导电性的沉淀(Li2O2),因此随着放电的进行Li2O2会逐步堵塞催化电极,阻止氧气扩散,从而限制电池的能量。另一方面,由于在无水电解液中的溶解度很小,氧气的扩散也大大限制了锂-氧电池的快速充放性能。此外,充放电过程中的气/固(O2/Li2O2)转换需要有效的活性的空间,以及有效锂离子扩散途径。

针对上述问题,复旦大学的王永刚/夏永姚教授课题组成功合成有序的分层次介孔/大孔多级孔碳,并将其应用为锂-氧电池的催化剂。这种多级孔碳由有序介孔碳球堆积而成,有序的介孔通道可以为电解液的浸润和锂离子的传输提供了便利,此外碳球堆积而成的大孔则有利于氧气的扩散,并为O2/Li2O2的相互转换提供了有效的活性空间。因而这种催化剂可以显著的提高锂-氧电池的循环稳定性和倍率性能。此外,该工作还对锂空气电池充放电过程的产物变化进行了研究,通过非原位的XRD,红外等手段证明了Li2O2在充放电过程中是可逆的生成与分解的。并对放电前后以及充电后的电极进行了SEM表征,发现放电产物均匀分布在有序的分层次介孔/大孔多级孔碳的表面或近表面。

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