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立方相碳化钛在锂空电池中的电化学行为

材料工程 2019年第2期47卷 34-41页

作者：秦振海黄昊吴爱民陈明珠杨影影姚曼大连理工大学材料科学与工程学院三束材料改性教育部重点实验室辽宁大连116024

采用直流电弧等离子体法在甲烷和氩气混合气氛下原位合成碳化钛(TiC)纳米颗粒。X射线衍射、透射电子显微镜等物理表征结果显示TiC纳米颗粒粒径约为40～90 nm的立方体结构。循环伏安(CV)测试表明,TiC纳米颗粒兼具高效的氧还原和氧析出双... 详细信息

采用直流电弧等离子体法在甲烷和氩气混合气氛下原位合成碳化钛(TiC)纳米颗粒。X射线衍射、透射电子显微镜等物理表征结果显示TiC纳米颗粒粒径约为40～90 nm的立方体结构。循环伏安(CV)测试表明,TiC纳米颗粒兼具高效的氧还原和氧析出双效催化活性,可有效弥补炭材料氧析出催化活性较弱的缺陷。恒流充放电测试结果表明,相对于普通炭材料(导电炭黑,Super-P),TiC纳米颗粒催化剂可将锂空电池充电过电势降低280mV;在电流密度(i_(sp))为50mA·g^(-1)时,首次放电比容量达1267mAh·g^(-1);即使在较高的电流密度150mA·g^(-1)下,比容量仍保持在778mAh·g^(-1),体现了良好的倍率性能。在电流密度为100mA·g^(-1)、限定比容量为500mAh·g^(-1)下,稳定循环10次。通过XRD、红外、扫描电镜表征可知,在TiC纳米颗粒的双效催化作用下,Li_2O_2的生成与分解具有良好的可逆性,有效避免了大量反应副产物积累的问题,进而提高锂空电池的电化学性能。

关键词：锂空电池碳化钛纳米颗粒氧还原反应氧析出反应过电势

Mn掺杂TiO2（101）提高锂空电池阴极催化活性的第一性原理研究

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中国科学：化学 2019年第6期49卷 899-905页

作者：范华伟秦圆杨影影王月霖王旭东黄昊姚曼大连理工大学材料学院

本文基于密度泛函理论对TiO2(101)和MnxTi1-xO2(101)作为锂空电池阴极催化材料进行了研究,发现其表面能够生成两种不同结构的Li2O2,进一步地研究了其中最稳定的生成结构并通过计算锂空电池首次充放电过程中的过电势来评价催化性能.结果... 详细信息

本文基于密度泛函理论对TiO2(101)和MnxTi1-xO2(101)作为锂空电池阴极催化材料进行了研究,发现其表面能够生成两种不同结构的Li2O2,进一步地研究了其中最稳定的生成结构并通过计算锂空电池首次充放电过程中的过电势来评价催化性能.结果表明,Mn掺杂进入TiO2(101)对充放电的过电势均有降低作用,深入分析发现掺杂Mn对TiO2促进阴极催化反应的本质因素源于掺杂原子Mn的d态轨道的分布以及其平均能量.掺杂原子的d态轨道在费米能级处的峰态诱导了附近O的p态轨道,二者共同作用在MnxTi1-xO2(101)的总态密度的费米能级处形成多个新峰,改变了催化剂的导电方式.此外,由于掺杂原子Mn的d态轨道的平均能量高于Ti原子,使得O的p态轨道受到更多的激发,促使在Mn掺杂原子附近的氧空位形成能降低,为放电过程阴极催化反应的氧还原提供了更多的活性位点并且有利于氧气的吸附与还原.

关键词：过电势 d态轨道氧空位活性位点锂空电池

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锂空电池复合电解质材料及其电化学性能研究

锂空电池复合电解质材料及其电化学性能研究

作者：赵雪渤海大学

学位级别：硕士

现阶段,环境污染、能源短缺等问题日益加剧,锂空电池因其高能量密度而受到世界各地学者及研究人员的广泛关注。其中,有机系锂空电池得到最多关注,锂空电池的研究受到溶剂挥发、电解液分解、锂负极易腐蚀、正极空隙堵塞等等问题的制约。... 详细信息

现阶段,环境污染、能源短缺等问题日益加剧,锂空电池因其高能量密度而受到世界各地学者及研究人员的广泛关注。其中,有机系锂空电池得到最多关注,锂空电池的研究受到溶剂挥发、电解液分解、锂负极易腐蚀、正极空隙堵塞等等问题的制约。电解液、正极材料及负极保护问题是当前锂空电池研究的热点,其中如何在提高电池性能的基础上提高电解液的稳定性成为目前研究的难题之一。本文主要研究复合电解质材料及其在锂空电池中的应用,以期找到一种高效电化学性能的有机复合电解质材料。通过对电解液溶质、溶剂特性的研究,系统地从电导率、粘度、交流阻抗、循环伏安、恒流充放电、功率及能量特性对不同电解质锂空电池性能的影响进行了分析,结果发现:(1)当以EC/EMC/DMC为有机溶剂与Li PF6、Li PF6-Li TFSI、Li PF6-Li BF4配制复合电解质时,Li PF6-Li BF4-EC/EMC/DMC体系复合电解质的锂空电池性能最佳,在0.1 m A cm-2电流密度下得到首次放电比容量3163 m Ah g-1,电流密度为0.01—0.25 m A cm-2,输出电压稳定且较高。这使得该体系具有较高的研究价值。但是,该复合电解质的循环性能较差,因此须对其进行优化,以提高该体系电池循环性能。(2)当以Li PF6为溶质与EC/EMC/DMC、EC/EMC/DMC-[Emim]BF4、EC/EMC/DMC-[DEME]TFSI配制复合电解质时,Li PF6-EC/EMC/DMC-[Emim]BF4体系复合电解质的锂空电池性能最佳,在0.025 m A cm-2电流密度下得到首次放电比容量2672 m Ah g-1,且在0.1 m A cm-2电流密度下稳定循环15次。(3)当以Li PF6-Li BF4为溶质,EC/EMC/DMC-[Emim]BF4为溶剂配制复合电解质时,0.1 m A cm-2电流密度下得到首次放电比容量2959 m Ah g-1,并稳定循环30次以上。但是,由于该体系引入离子液体,只适宜锂空电池在电流密度小于等于0.1 m A cm-2时工作。

关键词：锂空电池复合电解质有机系离子液体电化学性能

锂空电池正极催化剂TiO2和CeO2第一性原理研究

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锂空电池正极催化剂TiO2和CeO2第一性原理研究

作者：范华伟大连理工大学

学位级别：硕士

锂空电池因其超高的比能量引起广大研究人员的广泛关注,但其商业化进程仍面临着一些关键性问题亟待解决,其中关于非水锂空电池的重要问题之一是正极缓慢电化学动力学所导致的倍率性能差、充放电能量效率低和循环稳定性差等,而一种新型... 详细信息

锂空电池因其超高的比能量引起广大研究人员的广泛关注,但其商业化进程仍面临着一些关键性问题亟待解决,其中关于非水锂空电池的重要问题之一是正极缓慢电化学动力学所导致的倍率性能差、充放电能量效率低和循环稳定性差等,而一种新型高效催化材料是解决这一问题的有效途径。TiO和CeO是催化氧化还原反应的高性能材料并广泛应用于工业催化领域。本文采用第一性原理计算方法,选用TiO和CeO作为锂空电池正极催化材料,并采用过渡族金属元素进行掺杂改性,研究目标是探究掺杂改性影响催化材料性能的本征因素。本工作首先分别建立TiO(101)和CeO(111)模型,进行表面反应产物路径研究,计算充放电过程中的理论过电势,以过电势表征催化性能,用过渡族金属对材料进行掺杂改性,探究过渡族金属掺杂带来的影响本质因素。先选择TiO为研究对象,探究影响催化性能因素,和已发表的实验数据相校核,再研究CeO进一步验证完善所得结论。TiO作为锂空电池正极催化剂,计算掺杂前后的锂的氧化物的生成能,更易生成近菱型结构的LiO。研究得出:Mn掺杂进入TiO(101)对充放电过程中过电势均有降低作用,掺杂促进催化的本质因素是掺杂原子d态轨道分布及其平均能量。从d态轨道分布来讲,掺杂原子d态轨道在费米能级处的峰态诱导了O的p态轨道,掺杂原子d态轨道和O的p态轨道共同作用在MnTiO(101)的总态密度的费米能级处形成多个诱导峰,提高了电子的传输性能。从d态轨道能量看,掺杂原子Mn的d态轨道的平均能量高于Ti原子,并且掺杂原子Mn附近氧空位形成能比未掺杂时降低,佐证了计算准确性,氧空位也为放电过程的氧还原提供更多活性位点且有利于氧气吸附与还原。接着选用CeO作为锂空电池正极催化剂,来完善、验证上述TiO研究得到结论。将Rh,Pt,Ag掺杂进入CeO,并计算各个体系下电池的过电势,可得到掺杂这三种金属对电池的过电势有着积极影响。改变体系本质因素是掺杂原子d态轨道的形态分布和平均能量。从d态轨道能量看,掺杂原子d态轨道平均能量越高,则电池过电位越低,同时掺杂位置附近的氧原子p态轨道激发越强,掺杂原子将在催化剂表面上形成活性位点。d态轨道分布情况与TiO相似。此外,还通过掺杂Zn和Cu进行反向验算,可以总结得到如下结论:过渡族金属元素掺杂TiO/CeO提高催化性能的两个主要决定因素:1)掺杂原子在费米能级处形成新的诱导峰;2)在满足1)的前提下,掺杂原子d态轨道能量越高,催化性能越好。理论研究有望为探索更好的催化剂提供更深入的见解。

关键词：锂空电池第一性原理过电势掺杂 d态轨道平均能量

TiC@C纳米颗粒制备及其在锂空电池中的应用

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TiC@C纳米颗粒制备及其在锂空电池中的应用

作者：秦振海大连理工大学

学位级别：硕士

锂离子电池(LIB)是目前使用最广泛的储能系统,但是它实际所能达到的能量密度通常都限制在250 Wh·kg以下,它不能满足耗电量日益增加的各种电子设备的需求,也远低于电动汽车动力电池对高比能量的要求。因此,开发新型高比能量、可循环使... 详细信息

锂离子电池(LIB)是目前使用最广泛的储能系统,但是它实际所能达到的能量密度通常都限制在250 Wh·kg以下,它不能满足耗电量日益增加的各种电子设备的需求,也远低于电动汽车动力电池对高比能量的要求。因此,开发新型高比能量、可循环使用的清洁储能体系迫在眉睫。可充锂空电池(Lithium-air battery)拥有超高理论能量密度(2-3 kWh·kg),该数值是锂离子电池的5-10倍,可与汽油相媲美,并被认为是最有希望在电动汽车中应用的能源体系,因此它受到广泛关注。然而,锂空电池距商业化应用仍有很大距离,存在很多问题亟待解决,如:充放电过电势较高、循环效率较低、循环寿命较短等。以上所有问题主要是由于阴极氧还原反应(ORR)与氧析出反应(OER)过程缓慢、循环稳定性较差导致的,所以,开发出兼具ORR和OER双效催化活性的阴极催化剂是解决该问题的关键所在。TiC作为过渡金属化合物,具有导电性高、化学稳定性好等优点,更重要的是它拥有可与贵金属相媲美的OER催化性能,因此在各类电催化环境中得到普遍研究。另外,Ti C价格低廉、制备简单。同时,碳材料由于低成本、低密度、良好的导电性而被作为锂空电池阴极材料广泛研究。综合考虑以上因素,本文采用直流电弧等离子体法(Direct current arc-discharge plasma method),以甲烷作为反应气体,合成核壳型结构的TiC@C纳米颗粒。X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等表征结果显示TiC@C纳米颗粒是以TiC为核心、石墨层为外壳的核壳型结构,其表面包覆的石墨层存在大量缺陷。X射线光电子能谱(XPS)结果表明TiC@C纳米粒子表面存在Ti、C、O三种元素,其中O元素的存在是由于制备过程中少量空气的钝化引起的,钝化的目的是稳定活性较高的纳米粒子,使其能在空气中稳定存在。线性伏安测试(LSV)表明TiC@C纳米催化剂在碱性(0.1 M KOH)环境中的ORR过程是以二电子反应进行的,并且核壳型TiC@C纳米粒子的OER催化活性明显优于立方体TiC纳米粒子和商业铂炭(20 wt%)。锂空电池电化学表征的结果说明,TiC@C是一种兼具ORR与OER双功能催化活性的催化剂,在电流密度100 mA·g下,TiC@C电极的放电平台约比TiC电极和SP电极高110 mV,且TiC@C电极取得了1860 mAh·g放电比容量,明显高出TiC电极(964 mAh·g)和SP电极(1011 mAh·g);充电时,TiC@C电极的充电平台比TiC电极降低90 mV左右,且比SP电极降低340 mV左右。TiC@C纳米粒子应用于锂空电池,可明显改善其放电比容量和循环稳定性:取电流密度为50、100、150 mA·g,TiC@C阴极的放电比容量均高于TiC阴极;在恒流限容条件下对电极进行充放电测试(500 mAh·g,100 mA·g),TiC@C电极的循环寿命是TiC电极的2倍。通过XRD、红外、扫描电镜表征可知,在TiC@C纳米颗粒的双效催化作用下,LiO的生成与分解具有良好的可逆性,有效避免了大量反应副产物积累的问题,进而有效改善了锂空电池的综合性能。同时也发现,锂空电池在多次循环后性能的衰减与正极材料的钝化和电解液的分解有很大关系。本文的工作表明,充分利用碳材料和催化剂的双重优势是优化锂空电池的有效策略,并且可以将这一方法扩展到金属-空气电池和其它能源体系中先进催化剂的设计。

关键词：锂空电池核壳型结构氧还原反应氧析出反应过电势

碳纳米笼负载过渡金属氧化物：高性能锂空电池电极材料

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碳纳米笼负载过渡金属氧化物：高性能锂空电池电极材料

作者：刘晨霞南京大学

学位级别：硕士

锂空电池具有超高理论能量密度(11,400 Wh kg-1)等优点,正日益受到人们的关注,但存在充放电过电势高、倍率性能和循环稳定性较差等问题。锂空电池的核心之一是空气电极材料,理想的空气电极材料应具备导电性好、比表面积高、孔结构合适、... 详细信息

锂空电池具有超高理论能量密度(11,400 Wh kg-1)等优点,正日益受到人们的关注,但存在充放电过电势高、倍率性能和循环稳定性较差等问题。锂空电池的核心之一是空气电极材料,理想的空气电极材料应具备导电性好、比表面积高、孔结构合适、ORR/OER催化活性好、电化学稳定性高等特征。近年来,我们课题组发展出一种新颖的介观结构碳纳米笼(hCNC),它具有良好的导电性、超高的比表面积、微孔-介孔-大孔共存的分级孔结构等特征,在锂离子电池、锂硫电池、超级电容器等领域都表现出优异的性能。hCNC的这些结构特征能满足上述理想的空气电极材料的诸多特征,以hCNC空气电极材料,展现出优异的电化学性能,但循环稳定性欠佳。将hCNC与过渡金属氧化物复合,有望发展出性能优异的空气电极复合材料。本文围绕hCNC可控制备、复合催化剂构建、结构表征、锂空电池性能等开展研究工作,并取得以下研究进展。1 以具有三维分级结构的碱式碳酸镁和苯为前驱体,可控地制出具有高电导率、高比表面积、微孔-介孔-大孔共存的分级孔结构特征的介观结构hCNC。以hCNC为载体,采用微波辅助乙二醇法和溶剂热法方便地制备出MnOx/hCNC和CoFe2O4/hCNC复合材料,二者均能很好地保持hCNC的结构特征。2 以MnOx/hCNC为锂空电池的空气电极材料,优化出了以DMSO为溶剂、DMSO饱和的氧气流为测试气氛的电池测试条件。在优化的测试条件下,MnOx/hCNC展现出高的放电比容量、高倍率性能和良好的循环稳定性。在0.1 Ag-1电流密度下,首次放电比容量高达27,100 mAh g-1;具有良好的倍率性能,随电流密度从0.1 Ag-1增加1.0 A g-1,其放电过电势仅从0.12 V轻度增加到0.17V,充电过电势仅从0.61 V增加到0.82V;在0.5 A g-1电流密度和800mA h g-1充放电比容量下,充放电循环圈数可达为145圈。MnOx/hCNC的性能显著优于对照组的hCNC、MnOx/XC-72和XC-72,亦处于锂空电池空气电极材料的前列。此外,具有介观结构的hCNC和MnOx/hCNC的电化学性能远优于缺乏介观结构的MnOx/XC-72和XC-72催化剂;对比于hCNC和XC-72载体,负载MnOx后的电化学性能均有不同程度的提升。这归因于:(1)MnOx/hCNC保持了 hCNC的高导电性、高比表面积、分级孔结构等特征,这有利于电解液的传输、氧气的扩散以及产物Li2O2的容留和分散,获得高的比容量和好的倍率性能;(2)负载在碳纳米笼表面的MnOx增加了ORR/OER催化活性,降低电化学反应过电势;(3)MnOx能有效占据hCNC的缺陷位,减少了副反应的发生,利于提高其循环稳定性。3 以CoFe2O4/hCNC作为空气电极催化剂,表现出更高的放电比容量、高倍率性能和良好的循环稳定性。在0.1 A g-1电流密度下,首次放电比容量高达28,400mAh g-1;具有良好的倍率性能,随电流密度从0.1 A g-1增加1.0 A g-1,其放电过电势仅从0.15 V轻度增加到0.17 V,充电过电势仅从0.53 V增加到0.75 V;在0.5 A g-1的电流密度下的充放电循环圈数可达为153圈。CoFe2O4/hCNC的性能显著优于载体hCNC,亦处于锂空电池空气电极材料的前列。如此优异的电化学性能是以下因素共同作用的结果:(1)CoFe2O4/hCNC保持了 hCNC的高导电性、高比表面积、分级孔结构的特征,这有利于电解液的传输、氧气的扩散以及产物Li2O2的分散和容留,进而获得高的比容量和好的倍率性能;(2)负载在hCNC表面的CoFe2O4增加了ORR/OER催化活性,降低了电化学反应的过电势。上述结果为设计和发展基于过渡金属氧化物和介观结构碳材料的高性能空气电极材料提供了依据。

关键词：锂空电池电极材料碳纳米笼过渡金属氧化物电化学性能

Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene基材料在锂空气电池正极中的研究进展

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北京师范大学学报（自然科学版） 2023年第3期59卷 401-412页

作者：李苗苗袁萌伟郑幸子孙根班李会峰北京师范大学化学学院能量转换与存储材料北京市重点实验室北京100875 北京师范大学珠海校区先进材料研究中心广东珠海519087

锂空气电池具有3500 W·h·kg^(-1)的理论能量密度,是极具发展潜力的新一代能源存储系统.在有机相锂空电池中,放电产物为固态Li_(2)O_(2),具有绝缘性,导致正极反应动力学缓慢,造成反应过电位高、倍率性能差、循环稳定性有限且能量效率... 详细信息

锂空气电池具有3500 W·h·kg^(-1)的理论能量密度,是极具发展潜力的新一代能源存储系统.在有机相锂空电池中,放电产物为固态Li_(2)O_(2),具有绝缘性,导致正极反应动力学缓慢,造成反应过电位高、倍率性能差、循环稳定性有限且能量效率低等后果.催化剂可以改善氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)和氧析出反应(oxygen evolution reaction,OER)动力学,提升各项性能参数,因此开发稳定且高活性的正极催化剂是改善锂空电池性能的关键.Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene是2011年被发现的二维层状钛碳/氮化物纳米材料,导电性高且表面可调,具有催化ORR和OER反应的双重功能,近年来受到广泛关注,在锂空电池中具有良好的应用前景.本文介绍了锂空电池的反应机制,总结了近几年Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene基材料在锂空电池正极催化剂中的研究进展,探讨了锂空电池中Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene基正极催化剂材料的反应机制与性能提升策略,并对此方向未来的发展作一展望.

关键词： Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene 锂空电池正极催化剂氧还原反应氧析出反应

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石墨烯在锂系二次电池中的应用:进展与展望

功能材料 2013年第19期44卷 2741-2748页

作者：郑晓雨苏方远杨全红康飞宇天津大学化工学院天津300072 清华大学深圳研究生院深圳市炭功能材料工程实验室广东深圳518055

能源危机和环境污染不断加剧,开发绿色、高效的电化学储能器件迫在眉睫。由于锂具有很高的能量密度,锂系二次电池包括锂离子电池、锂硫电池和锂空电池等得到广泛研究和快速发展;而碳基材料是锂系二次电池重要的电极材料和关键组分。石... 详细信息

能源危机和环境污染不断加剧,开发绿色、高效的电化学储能器件迫在眉睫。由于锂具有很高的能量密度,锂系二次电池包括锂离子电池、锂硫电池和锂空电池等得到广泛研究和快速发展;而碳基材料是锂系二次电池重要的电极材料和关键组分。石墨烯是"至柔至薄"的碳基材料,良好的力学、热学、电学性能以及高比表面积和柔性片状的结构特征使其在锂系二次电池中展示出很大的应用潜力;作为其它sp2杂化碳基材料的基本结构单元,石墨烯的出现也为构建高性能的新型碳电极材料提供了契机。评述了不同结构形貌的石墨烯基材料在锂系二次电池中的研究进展,并对目前存在的问题和下一步的工作方向进行了分析与展望。

关键词：石墨烯锂离子电池锂硫电池锂空电池二次电池

Li2O2在氧化石墨烯基催化剂上解离的第一性原理研究

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Li2O2在氧化石墨烯基催化剂上解离的第一性原理研究

作者：蔡芳兰江西师范大学

学位级别：硕士

锂空电池又称锂氧电池（LOBs）,具有极高的理论能量密度（3500 Wh/kg）,有望成为电动汽车的能量储存装置。然而,锂空电池的放电产物过氧化锂（LiO）不容易分解,需要较高的充电过电位,导致电池倍率性能差,循环稳定性低。因此,设计高效的... 详细信息

锂空电池又称锂氧电池（LOBs）,具有极高的理论能量密度（3500 Wh/kg）,有望成为电动汽车的能量储存装置。然而,锂空电池的放电产物过氧化锂（LiO）不容易分解,需要较高的充电过电位,导致电池倍率性能差,循环稳定性低。因此,设计高效的阴极反应催化剂是十分重要且迫切的任务。本文系统地研究了过氧化锂在四种过渡金属（Co、Pd、Pt和Ru）修饰的氮掺杂双空位石墨烯（TM-NC）催化剂上的解离。首先优化TM-NC衬底的几何构型,然后将LiO和LiO分子分别吸附在TM-NC上,优化不同的吸附构型,确定最佳吸附构型,然后计算其电子结构及吉布斯自由能,分析TM-NC催化剂对过氧化锂的催化性能。结果发现Pt金属修饰的NC催化剂充电过电位最低（0.02 V）,说明Pt-NC有作为锂空电池阴极催化剂的前景。氧化石墨烯（GO）不含过渡金属,原材料容易获得,有希望成为锂空电池阴极催化剂。本文以氧化石墨烯作为锂空电池阴极催化剂,研究其氧化浓度对过氧化锂解离的影响。我们将n（n=1-6）个氧原子吸附在石墨烯的桥位上,形成环氧基功能团,构造氧化石墨烯模型（GO_n）,并对其进行优化。优化并分析LiO和LiO分子分别在GO_n上的吸附构型、电子结构以及吉布斯自由能。结果表明,当石墨烯上分别吸附5和6个氧原子时,其充电过电位较低,分别为0.06 V和0.05 V。在实际应用中,氧化石墨烯表面存在一定数量的缺陷。因此,本文对有空位缺陷的氧化石墨烯VGO（x=0-2,y=0-4）进行研究。结果表明在所有考虑的催化剂中,VGO作为锂空电池的阴极催化剂充电过电位最低（0.05 V）,对过氧化锂的解离效果最好。总之,本文采用第一性原理计算分别研究了过氧化锂在TM-NC、GO_n和VGO三种不同石墨烯基催化剂上的解离,筛选出解离过氧化锂的最优阴极催化剂,为实验上合理设计锂空电池阴极催化剂提供一定的数据参考和理论指导。

关键词：石墨烯基催化剂锂空电池过氧化锂第一性原理计算