双功能有机聚合物催化剂在高性能锂空气电池中的应用

as由于现今全球温室效应的逐渐严重和全球环保意识的逐渐增强,开发具有高能量密度的环保清洁能源已成为人们关注的焦点,电动汽车或混合动力汽车也得到了各方向研究者的青睐。能量密度较低的锂离子电池已无法满足需求。在正在研究的各种电池体系中,锂空气电池以极高的理论比容量成为了最好的选择。锂空气电池采用金属锂和氧气作为电池驱动电极材料,可产生高达11140 Wh/kg的理论比容量,这个数值远高于锂离子电池。直接使用空气中的氧气而不需要专门的储存设备更是使得锂空气电池远远优于其他同类型二次可充放电电池。在实际应用中还有很多问未完全解决,比如充放电效率低下致使电池寿命低下,充放电过电势过高导致副反应增多,电解液和电极材料稳定性不足引发安全隐患。想要实现锂空气电池的工业生产,解决这些问题便成了首要之急。目前,使用贵金属和过渡金属及其氧化物等可以部分解决这些问题,然而因为价格或毒理的问题使得无法广泛应用。

针对这些挑战,悉尼科技大学清洁能源研究技术中心的汪国秀教授和他的博士生张晋强等研究者使用有机物四甲基哌啶氮氧自由基衍生聚合物(PTMA)作为锂空气电池的正极材料成功延长锂空气电池的充放电寿命。该材料的最大特点在于其多功能性,由其氮氧自由基自身氧化还原的特性可以在电池反应中同时降低充电和放电的过电势。此外,又因为其聚合物的特性可以包裹并保护导电碳材料在充放电中免收侵蚀。经过充放电测试,与只用碳材料的锂空气电池相比,该有机材料催化的锂空气电池展现了非常低的充放电平台(3.73 V/2.75 V),良好的充放电循环寿命(> 60 圈而无衰减),和优秀的倍率充放电性能 (电流密度可从50 mA/g提升至1 A/g 而充放电曲线基本一致),优于其他同类固体有机催化剂。

实验证明此类氮氧自由基有机物具有非常优越的催化机能,可成功地制造高效率,高能量,长寿命的锂空气电池。此类聚合物低廉的价格和低毒理性使得其在高能锂空气电池中具有广阔的应用的应用前景。相关结果发表在Advanced Science上。