馬里蘭大學胡良兵Adv. Energy. Mater：“會呼吸的木頭”成就高性能鋰氧電池

smilezengsha 6年前 (2017-09-29) 35265瀏覽

【引言】

近年，鋰氧電池作為新一代儲能器件備受關注，通常而言，非水系的鋰氧電池由金屬鋰負極、非水系電解質、多孔催化正極這三個重要部分構成。鋰氧電池中正極的構造至關重要，它直接決定著鋰離子傳輸動力學、電子傳導、氧氣擴散、放電產物的生長等。鋰氧電池放電過程中，在正極中鋰離子逐漸與氧氣發生反應生成Li2O2固體，無法溶解的Li2O2固體則會將氧氣與鋰離子的傳輸通道堵塞而降低正極的活性面積。理想的正極結構需要包含開孔型大孔與豐富的微孔，利于氧氣的傳輸和放電產物的積累，從而能夠賦予鋰氧電池優異的電化學性能。

【成果簡介】

近日，美國馬里蘭大學帕克分校的胡良兵教授（通訊作者）團隊在Advanced Energy Materials 上發表最新研究成果 “Hierarchically Porous, Ultrathick, “Breathable” Wood-Derived Cathode for Lithium-Oxygen Batteries”，該成果第一作者為宋慧宇副教授，現任職于華南理工大學化學與化工學院。在該文中，研究者從自然界中擁有層級多孔結構的木頭上獲得啟發，設計了以“會呼吸”的碳化并活性化的木頭為基底，在其多孔微型孔道中負載釕納米顆粒，構筑了鋰氧電池正極材料。微型孔道有利于氧氣擴散傳輸，其中豐富多級孔的存在使得正極材料能夠被電解質完全浸潤，孔道壁上形成的電解質薄層確保了鋰離子的快速傳輸。以碳化活性木頭/釕（厚度約700 μm）為正極的鋰氧電池表現出高的面積比電容（0.1 mA cm-2 電流密度，8.58 mA h cm-2）和優異的充放電循環性能；若增加正極的厚度至3.4 mm，鋰氧電池的面積比電容將提高至56.0 mA h cm-2。

【圖文導讀】

圖1 以碳化活性木頭/釕為正極的鋰氧電池示意圖

經過碳化和活化過程的正極保持了開放和取向的微型孔道，擁有多孔孔道的碳化活性木頭一方面是利于電子傳輸的3D集流體，另一方面又是利于釕納米顆粒負載的高比表面積基底。

圖2 碳化活性木頭/釕正極的形貌表征

（a）超厚碳化活性木頭/釕光學照片；

（b-d）正極表面接觸角表征，電解質溶液與正極表面接觸角為0°；

（e-f）正極表面SEM圖;

（g，h）正極橫截面SEM圖;

（i）正極表面SEM圖與元素分布圖；

（j）正極橫截面SEM圖與元素分布圖；

（k）正極TEM圖顯示均勻負載在微型孔道壁上的釕納米顆粒（<5 nm）；

（l）正極TEM圖顯示釕的（111）晶面。

圖3 碳化活性木頭/釕正極的透氣性和離子電導率表征

（a）自制測試透氣性的裝置示意圖；

（b）干態與濕態正極透氣性表征；

（c）濕態正極透氣性隨著電解液含量變化曲線；

（d）正極離子電導率測試示意圖；

（e）室溫下正極的離子電導率與電解液含量關系曲線；

（f）鋰氧電池在不同電解液用量下的充放電曲線。

圖4 以碳化活性木頭/釕為正極的鋰氧電池電化學性能

（a）鋰氧電池不同電流密度下的充放電曲線；

（b）鋰氧電池不同循環次數充放電曲線；

（c）充放電終止電壓與循環次數的關系曲線；

（d）以超厚（約3.4 mm）的碳化活性木頭/釕為正極的鋰氧電池首次放電曲線。

圖5 碳化活性木頭/釕正極中放電產物表征

（a）放電時，微型孔道中Li2O2的生成示意圖，Li2O2在氧氣、鋰離子、催化劑接觸的位置逐漸生成；

（b，c）首次放電后微型孔道SEM圖，在微型孔道中生成了Li2O2；

（d）充電時，微型孔道中Li2O2的消失示意圖，Li2O2在新的三相界面處發生分解；

（e，f）充電后微型孔道SEM圖，在微型孔道中的Li2O2消失；

（g）首次放電后正極材料XRD表征分析；

（h）首次放電后正極材料Raman表征分析。

【小結】

在這項工作中，研究者首次以“會呼吸”的碳化活性木頭為基底，在其取向微型孔道中負載尺寸小于5 nm的釕納米顆粒催化劑，進而構筑了三維多孔透氣正極材料應用于高性能鋰氧電池。微型孔道利于氧氣的擴散，同時也利于鋰離子的快速傳輸；孔道中豐富均衡的三相反應界面實現了鋰氧電池的高比電容與優異循環性能。此新型透氣木頭電極在未來儲能器件中具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Hierarchically Porous, Ultrathick, “Breathable” Wood-Derived Cathode for Lithium-Oxygen Batteries，(Adv. Energy. Mater, 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701203)

本文由材料人新能源小組 曾沙 供稿，材料牛整理編輯。

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