马里兰大学胡良兵Adv. Energy. Mater：“会呼吸的木头”成就高性能锂氧电池

smilezengsha 7年前 (2017-09-29) 35713浏览

【引言】

近年，锂氧电池作为新一代储能器件备受关注，通常而言，非水系的锂氧电池由金属锂负极、非水系电解质、多孔催化正极这三个重要部分构成。锂氧电池中正极的构造至关重要，它直接决定着锂离子传输动力学、电子传导、氧气扩散、放电产物的生长等。锂氧电池放电过程中，在正极中锂离子逐渐与氧气发生反应生成Li2O2固体，无法溶解的Li2O2固体则会将氧气与锂离子的传输通道堵塞而降低正极的活性面积。理想的正极结构需要包含开孔型大孔与丰富的微孔，利于氧气的传输和放电产物的积累，从而能够赋予锂氧电池优异的电化学性能。

【成果简介】

近日，美国马里兰大学帕克分校的胡良兵教授（通讯作者）团队在Advanced Energy Materials 上发表最新研究成果 “Hierarchically Porous, Ultrathick, “Breathable” Wood-Derived Cathode for Lithium-Oxygen Batteries”，该成果第一作者为宋慧宇副教授，现任职于华南理工大学化学与化工学院。在该文中，研究者从自然界中拥有层级多孔结构的木头上获得启发，设计了以“会呼吸”的碳化并活性化的木头为基底，在其多孔微型孔道中负载钌纳米颗粒，构筑了锂氧电池正极材料。微型孔道有利于氧气扩散传输，其中丰富多级孔的存在使得正极材料能够被电解质完全浸润，孔道壁上形成的电解质薄层确保了锂离子的快速传输。以碳化活性木头/钌（厚度约700 μm）为正极的锂氧电池表现出高的面积比电容（0.1 mA cm-2 电流密度，8.58 mA h cm-2）和优异的充放电循环性能；若增加正极的厚度至3.4 mm，锂氧电池的面积比电容将提高至56.0 mA h cm-2。

【图文导读】

图1 以碳化活性木头/钌为正极的锂氧电池示意图

经过碳化和活化过程的正极保持了开放和取向的微型孔道，拥有多孔孔道的碳化活性木头一方面是利于电子传输的3D集流体，另一方面又是利于钌纳米颗粒负载的高比表面积基底。

图2 碳化活性木头/钌正极的形貌表征

（a）超厚碳化活性木头/钌光学照片；

（b-d）正极表面接触角表征，电解质溶液与正极表面接触角为0°；

（e-f）正极表面SEM图;

（g，h）正极横截面SEM图;

（i）正极表面SEM图与元素分布图；

（j）正极横截面SEM图与元素分布图；

（k）正极TEM图显示均匀负载在微型孔道壁上的钌纳米颗粒（<5 nm）；

（l）正极TEM图显示钌的（111）晶面。

图3 碳化活性木头/钌正极的透气性和离子电导率表征

（a）自制测试透气性的装置示意图；

（b）干态与湿态正极透气性表征；

（c）湿态正极透气性随着电解液含量变化曲线；

（d）正极离子电导率测试示意图；

（e）室温下正极的离子电导率与电解液含量关系曲线；

（f）锂氧电池在不同电解液用量下的充放电曲线。

图4 以碳化活性木头/钌为正极的锂氧电池电化学性能

（a）锂氧电池不同电流密度下的充放电曲线；

（b）锂氧电池不同循环次数充放电曲线；

（c）充放电终止电压与循环次数的关系曲线；

（d）以超厚（约3.4 mm）的碳化活性木头/钌为正极的锂氧电池首次放电曲线。

图5 碳化活性木头/钌正极中放电产物表征

（a）放电时，微型孔道中Li2O2的生成示意图，Li2O2在氧气、锂离子、催化剂接触的位置逐渐生成；

（b，c）首次放电后微型孔道SEM图，在微型孔道中生成了Li2O2；

（d）充电时，微型孔道中Li2O2的消失示意图，Li2O2在新的三相界面处发生分解；

（e，f）充电后微型孔道SEM图，在微型孔道中的Li2O2消失；

（g）首次放电后正极材料XRD表征分析；

（h）首次放电后正极材料Raman表征分析。

【小结】

在这项工作中，研究者首次以“会呼吸”的碳化活性木头为基底，在其取向微型孔道中负载尺寸小于5 nm的钌纳米颗粒催化剂，进而构筑了三维多孔透气正极材料应用于高性能锂氧电池。微型孔道利于氧气的扩散，同时也利于锂离子的快速传输；孔道中丰富均衡的三相反应界面实现了锂氧电池的高比电容与优异循环性能。此新型透气木头电极在未来储能器件中具有广阔的应用前景。

文献链接：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组 曾沙 供稿，材料牛整理编辑。

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