离子液体/有机混合电解液锂氧电池的研究
发布时间：2020-12-23 08:15
锂氧电池是未来能量存储和转换最有希望的候选者之一,其理论能量密度高于锂离子电池。研究发现,电解液分解是锂氧电池循环性能差的原因之一,最近研究人员发现使用离子液体可以改善锂氧电池的循环稳定性。本文采用离子液体（IL）作为电解液的添加剂来改善锂氧电池性能,主要研究内容如下:采用复分解,亲核加成和季铵化反应分别制备了1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[BMIM]BF4）、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐（[BMIM]Br）和氯化苄基三乙铵盐（TEBA）三种离子液体,对其制备工艺参数进行优化,将产率分别提高到94.4%,93.2%,97.6%。对三种离子液体进行锂离子电导率测试,发现[BMIM]BF4具有最高的离子电导率为5.2×10-5 S cm-1。研究了以LiTFSI和Li BF4为锂盐,DMSO/[BMIM]BF4混合电解液的粘度和离子电导率,粘度随着锂盐浓度和离子液体含量的增大而增大,离子电导率先增大后减小,在锂盐浓度为0.5 mol L-1
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同体系二次电池的体系能量密度和续航能力的对比图[3]
桂林理工大学硕士学位论文2质氧气不储存在电池内部而是从空气中获得的，金属锂的化学当量是3860mAhg-1，因此锂氧电池的理论比能量高达11140Whkg-1（Li），是锂离子电池的6～9倍[3]。且锂氧电池还具有价格低廉、无污染、环境友好等优点。因此，如果可以将这种新型高比能量二次锂氧电池实用化，在一定程度上能极大的缓解人类目前面临的环境污染和能源危机问题。1.2锂氧电池工作原理锂氧电池一般由三个部分组成：负极为金属锂，正极是高导电的材料，电解液是由溶解了锂盐的溶剂组成[1]。如图1.2所示，根据电解质的状态和种类的不同，锂氧电池可分为以下四类：（1）非水体系；（2）水体系；（3）混合电解质体系；（4）固体电解质[4]。图1.2不同体系锂氧电池组成及工作过程图，非水体系（a）；水体系（b）；混合体系（c）；固体电解质（d）[4]Figure1.2Compositionandworkingprocessdiagramofdifferentsystemsoflithium-oxygenbatteries,nonaqueoussystem(a);aqueoussystem(b);mixedsystem(c);solidelectrolyte(d)[4]按照反应机理的不同，将锂氧电池分为水系和非水系两类。非水系锂氧电池由于具有比水系更高的能量密度，我们把目光主要集中在非水系锂氧电池上。在非水系锂氧电池中，放电反应按照以下方式进行：正极：Li++O2+e-→LiO2（式1.1）
桂林理工大学硕士学位论文3LiO2+Li++e-→Li2O2(式1.2)2LiO2→Li2O2+O2(式1.3)总反应:Li+O2→Li2O2(式1.4)负极：Li-e-→Li+(式1.5)放电时，负极金属锂失去电子被氧化为Li+（式1.5），Li+经过电解液到达空气正极，而金属锂失去的电子会经过外电路运输到正极。然后在正极处Li+和电子结合并与O2反应生成LiO2（式1.1），LiO2可以通过两种方式转化为Li2O2：（1）LiO2在电极表面通过电化学还原为Li2O2[5]（式1.2）；（2）LiO2在电解液中歧化为Li2O2[6]（式1.3）；放电反应的总反应如式1.4所示。图1.3锂氧电池充放电过程原理图[7]Figure1.3Charge-dischargeschematicdiagramoflithiumoxygenbattery[7]充电时，在正极Li2O2发生反应生成Li+和O2以实现电池可逆循环，负极锂离子得到电子生成金属锂，该过程为氧析出反应(OER)，如图1.3所示[7]。由于Li2O2有难溶性和电绝缘性等缺点，导致其在和电极材料接触时氧化分解需要较高的充电电位，如果过电位太高会导致电解液的分解，加剧副反应的发生而导致正极钝化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属锂枝晶生长机制及抑制方法[J]. 程新兵,张强. 化学进展. 2018(01)
[2]锂空气电池的研究进展[J]. 王芳,梁春生,徐大亮,曹慧群,孙宏元,罗仲宽. 无机材料学报. 2012(12)
[3]锂-空气电池性能的影响因素及研究进展[J]. 顾大明,张传明,顾硕,张音,王余,强亮生. 化学学报. 2012(20)
博士论文
[1]碳纳米管阵列及吡咯基离子液体在锂空气电池中的应用[D]. 李瑜.太原理工大学 2016
硕士论文
[1]锂空气电池电解液作用的机理研究[D]. 任警.华中科技大学 2018
[2]锂空气电池有机电解液的优化及其性能研究[D]. 刘东.深圳大学 2015
[3]离子液体的制备及其电化学性质的测定[D]. 王方惠.北京化工大学 2006
本文编号：2933375
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同体系二次电池的体系能量密度和续航能力的对比图[3]
桂林理工大学硕士学位论文2质氧气不储存在电池内部而是从空气中获得的，金属锂的化学当量是3860mAhg-1，因此锂氧电池的理论比能量高达11140Whkg-1（Li），是锂离子电池的6～9倍[3]。且锂氧电池还具有价格低廉、无污染、环境友好等优点。因此，如果可以将这种新型高比能量二次锂氧电池实用化，在一定程度上能极大的缓解人类目前面临的环境污染和能源危机问题。1.2锂氧电池工作原理锂氧电池一般由三个部分组成：负极为金属锂，正极是高导电的材料，电解液是由溶解了锂盐的溶剂组成[1]。如图1.2所示，根据电解质的状态和种类的不同，锂氧电池可分为以下四类：（1）非水体系；（2）水体系；（3）混合电解质体系；（4）固体电解质[4]。图1.2不同体系锂氧电池组成及工作过程图，非水体系（a）；水体系（b）；混合体系（c）；固体电解质（d）[4]Figure1.2Compositionandworkingprocessdiagramofdifferentsystemsoflithium-oxygenbatteries,nonaqueoussystem(a);aqueoussystem(b);mixedsystem(c);solidelectrolyte(d)[4]按照反应机理的不同，将锂氧电池分为水系和非水系两类。非水系锂氧电池由于具有比水系更高的能量密度，我们把目光主要集中在非水系锂氧电池上。在非水系锂氧电池中，放电反应按照以下方式进行：正极：Li++O2+e-→LiO2（式1.1）
桂林理工大学硕士学位论文3LiO2+Li++e-→Li2O2(式1.2)2LiO2→Li2O2+O2(式1.3)总反应:Li+O2→Li2O2(式1.4)负极：Li-e-→Li+(式1.5)放电时，负极金属锂失去电子被氧化为Li+（式1.5），Li+经过电解液到达空气正极，而金属锂失去的电子会经过外电路运输到正极。然后在正极处Li+和电子结合并与O2反应生成LiO2（式1.1），LiO2可以通过两种方式转化为Li2O2：（1）LiO2在电极表面通过电化学还原为Li2O2[5]（式1.2）；（2）LiO2在电解液中歧化为Li2O2[6]（式1.3）；放电反应的总反应如式1.4所示。图1.3锂氧电池充放电过程原理图[7]Figure1.3Charge-dischargeschematicdiagramoflithiumoxygenbattery[7]充电时，在正极Li2O2发生反应生成Li+和O2以实现电池可逆循环，负极锂离子得到电子生成金属锂，该过程为氧析出反应(OER)，如图1.3所示[7]。由于Li2O2有难溶性和电绝缘性等缺点，导致其在和电极材料接触时氧化分解需要较高的充电电位，如果过电位太高会导致电解液的分解，加剧副反应的发生而导致正极钝化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属锂枝晶生长机制及抑制方法[J]. 程新兵,张强. 化学进展. 2018(01)
[2]锂空气电池的研究进展[J]. 王芳,梁春生,徐大亮,曹慧群,孙宏元,罗仲宽. 无机材料学报. 2012(12)
[3]锂-空气电池性能的影响因素及研究进展[J]. 顾大明,张传明,顾硕,张音,王余,强亮生. 化学学报. 2012(20)
博士论文
[1]碳纳米管阵列及吡咯基离子液体在锂空气电池中的应用[D]. 李瑜.太原理工大学 2016
硕士论文
[1]锂空气电池电解液作用的机理研究[D]. 任警.华中科技大学 2018
[2]锂空气电池有机电解液的优化及其性能研究[D]. 刘东.深圳大学 2015
[3]离子液体的制备及其电化学性质的测定[D]. 王方惠.北京化工大学 2006
本文编号：2933375
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