三维Co/CoO-石墨烯-碳化海绵锂氧电池正极材料的构筑

锂氧电池因具有超高的理论能量密度(5200 Wh/kgO2)而备受瞩目。锂氧电池在放电时Li+与O2生成绝缘的过氧化锂(Li2O2)沉积在正极一侧,充电时,再次在正极上分解重新释放O2,因此,正极的设计与研发对锂氧电池意义重大。炭材料凭借其高导电性、低密度和易制成多孔结构等优点成为了锂氧电池中最为重要的一类正极材料。但是,在C/Li2O2界面会发生副反应生成Li2CO3限制了其进一步的应用,而非炭正极受限于自身的密度,其能量密度一般低于炭材料。因此,开发高效的炭/保护剂复合电极迫在眉睫。针对这一问题,中科院兰州化学物理所清洁能源化学与材料实验室阎兴斌研究员课题组,从炭基底设计与保护剂开发两方面入手,提出了解决该问题的研究方案。

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在炭基底方面,选用密胺海绵作为三维弹性基底,将SP2杂化的石墨烯材料包覆在密胺的框架结构上,该基底的设计为保护剂的负载、Li2O2的沉积提供了很好的支撑结构,同时,自支撑特性和石墨烯材料二维平面结构的保持十分有利于Li2O2结构的观察及保护剂的评价。在保护剂方面,该团队选用了具有高LiO2吸附能的CoO材料。采用一步法制备了核壳结构Co/CoO表面修饰的石墨烯-碳化密胺海绵三维正极,研究发现,低LiO2吸附能的石墨烯材料与高LiO2吸附能的CoO材料存在着协同效应,在放电初期(500 mAh g-1),Li2O2主要生长在Co/CoO纳米颗粒上,有效减少了石墨烯与Li2O2的接触面,从而降低了发生在C/Li2O2界面的副反应。因此,该电极可稳定循环70圈,远远高于无保护剂电极的20圈。这一设计的成功为锂空气电池正极的构筑和研发提供了新的研究思路和方法,并为多功能电极的制备提供了新的设计方案。

相关文章发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201503907)上。

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