自支撑RuOx/TiN纳米管阵列电极用于锂空气电池空气电极

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基于RuOx/TiN NTA材料为空气电极的锂空气电池的电化学反应机理图

日益加剧的能源危机和环境恶化成为了全人类所面临的最大问题。大力发展二次锂电池储能技术,已经成为当务之急。随着消费类电子产品及电动交通工具对电源性能需求的不断增加,人们迫切需要发展具备更高能量密度的下一代锂电池。锂空气电池采用金属锂作为负极,空气中的氧气作为正极活性物质,理论比能量高达 11 140 Wh/kg,是下一代电化学储能电源的理想选择。对于有机体系的锂空气电池,稳定且高效的空气电极材料一直是科研人员的关注热点。目前在空气电极的研究中,碳材料应用最为广泛。但是随着进一步的研究发现,碳材料在充放电过程中易与放电产物Li2O2(或中间产物)发生副反应,生成Li2CO3等不易分解的副产物,导致电池充放电极化较大、循环寿命降低等问题。

为了解决这些问题,中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员课题组制备了RuOx/TiN 纳米管阵列,开发了一种非碳材料的自支撑电极。TiN NTA 材料直接生长在Ti网表面,具有良好的电子导电性,并为氧气以及Li+的快速传输提供了通道。此外,RuOx对于氧析出反应具有良好的催化性能,通过电沉积的方法将RuOx沉积在TiN NTA表面,形成同轴的纳米管阵列结构,使其具有更好的电化学性能。电化学测试表明,该材料作为锂空气电池正极材料有利于降低电池的充放电极化,其充电平台在3.3V左右,较普通的碳材料以及TiN纳米颗粒等电极材料的充电平台更低,同时显示出良好的循环稳定性,在循环到2000h之后依旧保持良好的电化学性能,这得益于其本身的纳米管阵列结构。此外,通过在线质谱检测、拉曼光谱以及X射线光电子能谱等表征手段对其放电产物进行了检测,证明这种非碳的RuOx/TiN NTA材料能够有效降低副产物Li2CO3的生成。该研究为提高锂空气电池的循环稳定性以及降低充放电极化提供了一种新的方案。相关结果发表在近期出版的Advanced Science杂志上(Adv. Sci., 2015, DOI: 10.1002/advs.201500092)

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