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用鋰化硅作為鋰空氣電池正極材料的應(yīng)用研究

作者: 時間:2012-11-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

羅馬Sapienza大學(xué)、韓國漢陽大學(xué)(Hanyang University)以及美國阿貢實驗室的研究人員展示了鋰空氣電池的陽極替代材料,采用氫氧化鋰硅碳正極材料代替原本的鋰金屬材料。雖然這種材料的所能提供的電壓值和容量相比傳統(tǒng)鋰空氣電池要低,不過其安全性能和能量密度要比鋰金屬正極材料高。

“據(jù)我們所知,這是首次在鋰空氣電池中舍棄鋰金屬正極材料的嘗試,這或?qū)㈦x鋰空氣電池應(yīng)用到實際中的目標更近一步?!?/P>

理論上,鋰空氣電池的能量密度非常高,能夠滿足電動汽車所需的能量密度要求,達到11,420瓦時/千克。研究人員指出,在大部分應(yīng)用配置中,鋰空氣電池正極為鋰金屬化合物;采用非水性電解液;負極采用石墨。

陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子(Li ),Li 穿過電解質(zhì)材料,在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結(jié)合生成氧化鋰(Li2O)或者過氧化鋰(Li2O2),并留在陰極?;瘜W(xué)反應(yīng)式為:2Li O2 ? Li2O2。

目前阻礙鋰空氣電池發(fā)展的因素主要有三個:

1.電解液液中的電解質(zhì)不穩(wěn)定

2.可逆化學(xué)反應(yīng)過程受到限制(指從過氧化鋰和氧化鋰分解為氧氣分子和鋰離子的能力)

3.鋰金屬化合物正極的化學(xué)性能

其中,關(guān)于電解質(zhì)不穩(wěn)定性的問題已經(jīng)得到解決,通過利用二甲氧基乙烷、離子電解液和聚(環(huán)氧乙烷)-鋰鹽等物質(zhì)代替有機碳酸酯類電解質(zhì),前三者的化學(xué)穩(wěn)定性都優(yōu)于后者。關(guān)于可逆反應(yīng)不充分的問題,研究人員正在研發(fā)更合適作為電池陰極的材料,并探索可利用的催化劑以促使可逆反應(yīng)的發(fā)生。

第三個問題最近才被研究人員重視,在此之前所有的鋰空氣電池都是采用鋰金屬化合物作為陽極材料。目前采用氫氧化鋰-硅材料結(jié)合乙二醇二甲醚電解液,試圖舍棄鋰金屬化合物。鋰化硅電極用來連接球形納米硅碳復(fù)合粒子與鋰箔。這樣電極中的納米級碳粒子包裹著鋰化硅粒子,顯微鏡照片顯示電極被一層固體電解質(zhì)膜所覆蓋。

電解質(zhì)采用了三氟甲磺酸的鹽(LiCF 3 SO 3)、四甘醇二甲醚玻璃纖維。這種電解液利用線性的、高分子量甘醇二甲醚溶劑以減少雜質(zhì)體積比小于十萬分之一。

研究人員首次測試了鋰-硅化合物電極在使用LiCF3SO3-TEGDME電解質(zhì)時的化學(xué)性能,研究發(fā)現(xiàn)這種電極材料表現(xiàn)出的可逆容量為780毫安時/克,平均電壓在0.3伏。另外,還測試了O2-C氧氣陰極材料的化學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)在平均電壓和極化表現(xiàn)都比較良好。

研究人員將氧分子陰極和兩份鋰化硅陽極合并入一塊完整的電池中,工作電壓為3伏。化學(xué)反應(yīng)式如下:

假設(shè)放電電壓在2.4伏,則理論能量密度就應(yīng)該達到980瓦時/千克。正極采用石墨,負極采用鋰鈷氧化物的傳統(tǒng)鋰電池能量密度為384瓦時/千克。通過一個合理的設(shè)計,實際設(shè)計出的正極采用鋰硅化合物,負極利用氧分子的鋰空氣電池的能量密度將不會小于理論值。顯然,這類材料使得電池中的鋰離子活性降低,那么電池的容量和平均電壓也隨之降低。表面上看這是缺點,但實際上,降低鋰離子活性有助于提高電池的安全性,并且其能量密度相比普通鋰電池要高得多。

研究人員觀察到,鋰空氣電池在工作循環(huán)中會發(fā)生輕微的電壓衰減,他們推測這是由于鋰硅化合物正極由于氧分子滲透穿過電解質(zhì)形成的過電位現(xiàn)象(過電位是電極的電位差值,無電流通過和有電流通過之電位差值,陽極運作作電位永遠高于平衡狀態(tài)下的電位;陰極運作電位永遠低于平衡狀態(tài)下的電位)。研究人員目前正在試圖解決這個問題。



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