上海矽酸鹽所在鋰氧氣電池碳基複合正極載體材料研究中取得進展

2020-12-14 全國能源信息平臺

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目前，包括多孔碳、納米碳管和石墨烯等在內的碳材料是二次鋰氧氣電池研究中普遍使用的正極載體。碳材料的優勢在於：質量輕，比表面積大，電子導電率高，有利於三相電極反應；資源豐富，來源簡便，易於實現產業化應用等。但在非水系鋰氧氣電池研究領域，碳材料存在穩定性不足等問題。非水系鋰氧氣電池在放電過程中發生1電子或2電子氧氣還原反應，生成氧化性極強的超氧根或超氧化鋰中間產物，嚴重氧化碳材料並促進電解液分解，生成大量碳酸鋰和羧酸鋰等副產物導致電極鈍化和電池容量衰減。因此，提高碳基正極的抗氧化性和電化學穩定性是解決此類問題的基礎要素。

近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所張濤研究員團隊提出碳骨架和超薄非碳皮膚層相結合發展穩定的碳基複合正極載體的思路。該研究團隊以多壁碳納米管、金屬鈦粉和碘為原料，通過氣相外延生長方法控制多壁碳納米管表面sp2雜化碳層的反應程度，由外向內地將碳納米管壁逐層轉化成TiC表面層。通過調節反應溫度和時間，可以將表面層厚度精確控制在幾個納米到十納米範圍之內。該方法具有普適性，可以拓展應用於石墨烯和導電炭黑等碳材料。這種碳/非碳複合材料提高了鋰氧氣電池正極對於O2-的穩定性，減少了副產物Li2CO3的形成。在複合載體上負載Ru納米顆粒作為催化劑，電池表現出良好的循環穩定性。相關工作以「Inward growth of superthin TiC skin on carbon nanotube framework as stable cathode support for Li-O2bateries」為題發表在能源材料領域學術期刊Energy Storage Materials上（2020, DOI: 10.1016/j.ensm.2020.04.018）。論文第一作者為上海矽酸鹽所在讀博士生楊楚舒，導師為張濤研究員。

近期，張濤研究員團隊在鋰氧氣電池空氣正極載體材料設計及穩定性研究方面已取得系列進展，如選用取材廣泛的植物韌皮組織作為空氣正極，在放電過程中轉化得到的分級多孔微米篩管徑與過氧化鋰尺寸比為6:1，可為過氧化鋰提供充足的儲存空間並提高循環穩定性（Green Chemistry,2020,22,388-396）；此外，團隊提出無氧化成策略，在碳正極表面構築超薄氟化鋰表面層提高鋰氧氣電池的循環穩定性。區別於常用的鋰氧氣電池正負極分開保護的方法，在電池循環測試前，通過無氧化成電化學處理，在正負極表面同時形成富含氟化鋰的保護層。電池工作時，正極側超薄的保護層可有效抑制超氧根對碳材料的攻擊，而鋰負極側較厚的保護層可有效阻擋電解液對鋰負極的腐蝕。採用這種原位保護方法，鋰氧電池的循環穩定性大大提高。該工作首次將儲能電池常用的化成技術與鋰氧氣電池結合以提高活性材料穩定性，申請中國發明專利一項，申請號：201811367550.1，具有良好應用前景（Energy Storage Matierals,2019, 23, 670-677）。

相關研究工作得到了國家自然科學基金、中國科學院和上海市項目等資助。

碳/非碳複合正極載體材料製備過程

TiC/MWNTs碳基複合載體材料的結構表徵

原標題:上海矽酸鹽所在鋰氧氣電池碳基複合正極載體材料研究中取得進展

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