碳納米管陣列及吡咯基離子液體在鋰空氣電池中的應(yīng)用.pdf

1、可充電鋰空氣電池具有高的理論能量密度，被認(rèn)為是新型電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域里最有潛力的能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。但是，該電池在實(shí)際運(yùn)行中普遍存在充放電容量較低，循環(huán)性能較差等一系列的關(guān)鍵問(wèn)題。最近，人們?cè)诟纳齐姵氐年帢O空氣電極性能方面做出了大量的工作。因此，本文重點(diǎn)研究了所制備的陰極催化劑載體材料及電解液材料在鋰空氣電池中的應(yīng)用，目的是探究這些陰極材料的電化學(xué)性能，以及作為相關(guān)材料在該領(lǐng)域里應(yīng)用的研究基礎(chǔ)。
　　本文主要研究了鋰空氣電池陰極催化劑載

2、體的制備，以及電解液性質(zhì)與電池性能的相關(guān)性。具體內(nèi)容包括：
　?。?）采用化學(xué)氣相沉積法在導(dǎo)電碳紙的一側(cè)表面上（帶有浸漬催化劑種子的炭黑層）可控制備了碳納米管陣列，形成有序碳納米管陣列/炭黑層/碳紙基底一體化材料，并作為空氣電極載體應(yīng)用于鋰空氣電池。通過(guò)掃描電子顯微鏡表征了碳納米管陣列的微觀形貌等，確定了最佳制備工藝條件為：在反應(yīng)溫度范圍為750–800℃，混合氣線(xiàn)速度為1.40 cm s?1，二茂鐵與二甲苯的摩爾比為1:50–1

3、:30時(shí)，得到了長(zhǎng)度為40–50μm和直徑為30–40 nm的有序碳納米管陣列。
　　為了實(shí)現(xiàn)在炭黑層/碳紙基底上以一種可控的方式生長(zhǎng)有序碳納米管陣列，依據(jù)反應(yīng)工程理論，我們提出了一種通過(guò)結(jié)合化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和質(zhì)量傳遞過(guò)程的思路，進(jìn)一步研究了有序碳納米管陣列的生長(zhǎng)機(jī)理。
　　采用本文制備的有序碳納米管陣列/炭黑層/碳紙基底一體化材料組裝鋰空氣電池，在0.05 mA cm?2電流密度下進(jìn)行放電，得到了相對(duì)較高的首次放電容量[293

4、0 mAh g?1(CNTs)]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它碳微粒材料在鋰空氣電池的首次放電容量。
　?。?）選擇了三種結(jié)構(gòu)相近的吡咯基離子液體，N-甲基-N-丙基吡咯雙三氟甲基磺酸基酰亞胺（PYR13TFSI）、N-甲基-N-丁基吡咯雙三氟甲基磺酸基酰亞胺（PYR14TFSI）和N-甲基-N-甲氧乙基吡咯雙三氟甲基磺酸基酰亞胺[PYR1(2O1)TFSI]作為電解液應(yīng)用于鋰空氣電池中。通過(guò)在不同鋰鹽濃度下測(cè)量了三種離子液體的離子電導(dǎo)率、氧氣溶

5、解度以及氧擴(kuò)散系數(shù)等性質(zhì)，并通過(guò)循環(huán)伏安法表征了這三種離子液體的氧電還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。結(jié)果顯示， PYR13TFSI和PYR1(2O1)TFSI的離子電導(dǎo)率和氧擴(kuò)散系數(shù)明顯高于PYR14TFSI的離子電導(dǎo)率和氧擴(kuò)散系數(shù)；與PYR13TFSI和PYR1(2O1)TFSI相比，PYR14TFSI具有明顯較高的氧氣溶解度；在0.6 mol kg?1 LiTFSI鹽的存在下， PYR1(2O1)TFSI展示了最大的氧電還原反應(yīng)活性，其次是PYR1

6、3TFSI，最后是PYR14TFSI。
　　通過(guò)電化學(xué)交流阻抗和電池充放電測(cè)試了三種離子液體作為電解液的鋰空氣電池性能。在0.05 mA cm?2電流密度下放電，PYR1(2O1)TFSI電解液電池的首次放電電壓明顯高于PYR13TFSI和PYR14TFSI電解液電池的首次放電電壓；與PYR14TFSI電解液電池相比，PYR13TFSI和PYR1(2O1)TFSI電解液電池展示了較高的首次放電容量和較好的循環(huán)穩(wěn)定性等。這些結(jié)果表明

7、，電解液的氧擴(kuò)散系數(shù)能夠有效地促進(jìn)空氣電極內(nèi)的氧電還原反應(yīng)和氧氣濃度分布，而具有較高氧擴(kuò)散系數(shù)和較大氧氣溶解度的電解液能夠明顯增強(qiáng)鋰空氣電池的充放電性能。
　　（3）采用本文制備的納米二氧化錳/有序碳納米管陣列/炭黑層/碳紙基底復(fù)合材料直接作為陰極空氣電極，選擇離子液體 PYR14TFSI和有機(jī)溶劑四乙二醇二甲醚（TEGDME）分別作為電解液應(yīng)用到鋰空氣電池中。通過(guò)結(jié)合已研究的納米二氧化錳/有序碳納米管陣列/炭黑層/碳紙基底復(fù)合空

8、氣電極和PYR14TFSI電解液能夠有效地提高鋰空氣電池的充放電性能。此外，通過(guò)循環(huán)伏安法、電化學(xué)交流阻抗和恒電流充放電分別測(cè)試了 PYR14TFSI和 TEGDME電解液鋰空氣電池的性能。結(jié)果顯示，TEGDME電解液電池的氧電還原反應(yīng)活性明顯高于PYR14TFSI電解液電池；在0.05 mA cm?2電流密度下，PYR14TFSI電解液電池呈現(xiàn)出較大的首次放電容量和較高的平均庫(kù)侖效率，而TEGDME具有明顯較高的首次放電電壓。結(jié)果表明