非水系锂空气电池电解液分布特性及其对电池性能的影响机制

发布时间：2017-08-15 10:36

  本文关键词：非水系锂空气电池电解液分布特性及其对电池性能的影响机制

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【摘要】：在众多的新兴电池系统中,锂空气电池具有超高的理论容量密度(3852Ah/kg),在热力学平衡电压2.96 V下的理论能量密度可达11400 Wh/kg,未来的应用前景非常广阔。然而,到目前为止该电池技术仍面临着一系列极具挑战性的难题。除了空气电极极化严重、电解液易分解、循环性差等问题外,电池的实际放电容量也与其理论值相差甚远。锂空气电池的放电容量与电池正极的三相界面有关,一般三相界面面积越大,电池的放电容量就越大。若给定正极材料,电解液在正极上的分布与电池三相界面直接相关。本论文围绕非水体系锂空气电池内的电解液分布特性及其对电池的影响机制展开了系列研究。通过不同量电解液(1 M LiTFSI/TMS)在电池正负极的添加,研究电池的放电容量及亲或憎水空气电极上电解液的分布特性,进而研究正极不同电解液注入方式对电解液分布和电池性能的影响。本文的主要工作和结论如下:1、电解液的添加量是影响电解液分布最直接、关键的因素。电解液量太多,易淹没电极,堵塞电极孔道,极大限制氧在电极内的传输;电解液量太少,不足以润湿电极表面,固液二相界面较小,电池的反应界面因而也较小。以KB、SP和CNT为正极(锂空气电池常用电极,且KB、SP为亲水电极,CNT为憎水电极),通过电池负/正极不同电解液量添加的研究发现,当C载量为0.25 mg时,KB和SP电池的放电容量随着电解液量的增加先增后降,而CNT电池的放电容量则是均以缓慢的趋势增加,电池负/正极的电解液量添加的较佳组合分别为30μL/60μL、10μL/60μL、40μL/60μL,此时电池的放电容量分别达到7.1410 mAh、6.8965 mAh、5.066 mAh。结合EDS分析得知,电解液在KB和SP电极上的分布较广,而在CNT电极上的分布相对较窄,这主要与电极材料本身的介孔分布特性及对电解液的吸收能力有关。2、电解液分布除与量的多少有关外,还与电解液的注入方式存在一定关系。本文采用浸泡电极或电解液/C共混制备电极的简单方法,将部分电解液预先注入至电极内部,使靠近碳纸侧的孔表面也利用起来,以增大电池的三相反应界面。结果发现由于KB的吸液能力较强,浸泡或电解液/C共混等电解液注入方式容易淹没电极,从而影响氧气的传质,使电池的放电容量减小。相反,CNT电极属憎电解液性质,电解液相对较难润湿电极孔道,因此通过少量电解液与CNT共混引入少量电解液至电极内部,可有效地优化电解液在CNT电极上的分布情况,当电解液引入量为0.143μL/cm2时,电池的放电容量从5.066 mAh增大至7.547 mAh。3、结合SEM和XRD技术表征可发现,锂空气电池在放电过程生成呈圆环形的Li2O2,而且由于放电产物不溶于1 M LiTFSI/TMS的电解液体系中,因此电池在放电后生成的固体Li2O2沉积在电极表面,导致电池阻抗增加。通过EDS能谱技术分析,发现充放电过程中电解液出现明显的再分布现象:(1)电池放电过程中由于Li2O2固体的生成,部分电解液被挤入碳纸中;(2)电池充电时,随着Li2O2的分解,电极建立新的孔道,在毛细压力的作用下,亲水的KB和SP电极有明显的电解液回流现象,而CNT电极由于本身的憎水特性且孔径较小,电解液难以重新进入电极,所以无明显的回流现象。
【关键词】：锂空气电池 电解液分布 三相界面 放电容量
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.41
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-31
• 1.1 课题背景与研究意义10-12
• 1.2 锂空气电池的工作原理及基本构造12-13
• 1.3 锂空气电池的发展和研究趋势13-24
• 1.3.1 锂空气电池的发展13-14
• 1.3.2 锂空气电池的优势和面临的挑战14-16
• 1.3.3 锂空气电池的研究现状及未来研究趋势16-24
• 1.4 本论文的选题依据、研究内容及创新点24-31
• 1.4.1 选题依据24-27
• 1.4.2 研究内容及目的27-28
• 1.4.3 本文主要创新点28-31
• 第2章 实验材料与仪器31-35
• 2.1 主要的实验试剂31-32
• 2.2 主要的实验仪器和设备32
• 2.3 材料表征与电池性能测试手段32-35
• 2.3.1 低温N_2吸附脱附曲线测试32-33
• 2.3.2 接触角测试33
• 2.3.3 扫描电子显微镜技术33
• 2.3.4 X射线衍射技术33-34
• 2.3.5 X射线能谱仪测试34
• 2.3.6 恒电流充放电测试34
• 2.3.7 电化学阻抗分析34-35
• 第3章 电解液量对锂空气电池性能的影响研究35-51
• 3.1 引言35-36
• 3.2 实验部分36-39
• 3.2.1 材料表征测试（接触角、孔径分布）36-37
• 3.2.2 电极的制备及锂空气电池的组装37-38
• 3.2.3 电极表征和电池测试38-39
• 3.3 结果讨论39-49
• 3.3.1 接触角测试结果39-40
• 3.3.2 N_2吸附脱附曲线测试结果40-41
• 3.3.3 隔膜饱和吸液量测试41-42
• 3.3.4 深度放电测试结果42-45
• 3.3.5 电解液添加量对其分布的影响45-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第4章 正极电解液注入方式对电池性能的影响研究51-63
• 4.1 引言51-52
• 4.2 实验部分52-53
• 4.2.1 电极制备及电池组装52-53
• 4.2.2 电极表征及电池测试53
• 4.3 结果讨论53-61
• 4.3.1 电解液不同注入方式对电解液分布的影响53-54
• 4.3.2 电解液不同注入方式对电池性能的影响54-58
• 4.3.3 憎水CNT电极的预润湿优化58-61
• 4.4 本章小结61-63
• 第5章 充放电过程中电解液的再分布研究63-74
• 5.1 引言63-64
• 5.2 实验部分64-65
• 5.3 结果讨论65-73
• 5.3.1 放电产物形貌表征结果65-66
• 5.3.2 放电产物组分测试结果66-67
• 5.3.3 电池充放电后电解液分布情况67-70
• 5.3.4 电池循环性能与分析70-73
• 5.4 本章小结73-74
• 第6章 结论与展望74-76
• 参考文献76-82
• 致谢82-83
• 攻读硕士学位期间的研究成果83

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