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锂空气电池在辅酶Q10催化下获得高容量高倍率放电性能

锂空气电池在辅酶Q10催化下获得高容量高倍率放电性能

背景概况

随着化石能源的日益匮乏,新型绿色能源的开发和利用成为当务之急。锂空气电池以其较高的理论能量密度(11400Wh·kg-1)成为近年来的研究热点。锂空气电池的负极多用金属锂,正极为多孔结构气体电极,一般作为反应的“场所”而不直接参与反应,正极活性物质为空气中的氧,并不存储于电池中。目前存在的挑战:因为尚处于研究的初级阶段,所以对机理的认知不够全面。放电容量较低,电极结构不够稳定等。

锂空气电池在辅酶Q10催化下获得高容量高倍率放电性能

研究成果介绍

近日,由中国科学院长春应用化学研究所彭章泉带领的研究团队在Adv. Mater.上发表最新研究成果“High-Capacity and High-Rate Discharging of a Coenzyme Q10-Catalyzed Li–O2 Battery”。该研究团队在电解液中加入辅酶Q10 (Coenzyme Q10,CoQ10)作为催化剂,与之前的反应相比,加入催化剂后电池的副反应减少,提高了Li2O2在ORR放电产物中的含量,提高了锂电池的放电容量,改善了电池的循环性能并提高了其稳定性。

锂空气电池在辅酶Q10催化下获得高容量高倍率放电性能

图文解读

锂空气电池在辅酶Q10催化下获得高容量高倍率放电性能

图1  循环伏安曲线图

图注:电极在不同条件下的循环伏安曲线。扫描速率为0.1V s−1

红线:在氧气条件下的还原峰为2.0V,远低于O2/ Li2O2的热力学电位2.96V。

蓝线;通过CoQ10在氩气条件下的CV曲线可以看到CoQ10/CoQ10-在2.63V的表观电位和2.54V处的还原峰,表明CoQ10-可以减少O2还原成Li2O2

绿线:还原峰在2.0V和大幅增强的还原峰在2.52V处得到。

因为CoQ10的催化,使的在2.52V处形成强还原峰;而明显的O2消耗使2.0V处的还原峰减弱。粉红色曲线和绿色曲线在不同截止电压下的对比说明,在CoQ10催化的ORR中,Li2O2的形成起主要的控制作用。

 

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图2  Li–O2电池的负载曲线图

图注:不含CoQ10催化剂(a)和含CoQ10催化剂(b)的Li–O2电池在不同的区域电流密度(0.1 -0.5 mA cm−2)的负载曲线图。(a)中黑线表明,放电过程中,阴极表面被绝缘Li2O2膜迅速钝化。而在较高电流密度下,含催化剂的电池放电容量比是原先电池的70-100倍(图b,红线和蓝线)。上述结果说明,添加CoQ10催化剂可明显提升电池的放电容量和稳定性。

 

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图3  电池放电前后的SEM图

图注:Li–O2电池放电前(a、b)和放电后(c、b)(电解液中不含CoQ10催化剂)、(e、f)(电解液中含10 x 10−3MCoQ10催化剂)的扫描电镜图。放电电流密度为0.1mA cm−2。通过形态上的巨大差异发现,在无催化条件下,Li2O2在阴极表面沉积形成保护膜和微型纳米片,解释了表面介导Li2O2的形成机制(c,d)。相反,含催化剂的电池,观察到了微米级和环形状的Li2O2颗粒。

 

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图4  PXRD图、红外光谱图和微分电化学质谱图(DEMS)

图注:a) PXRD 图; b) 电解液中含CoQ10催化剂和不含CoQ10催化剂的阴极在电流密度为0.1mA cm−2条件下放电红外光谱图;c) 在 400 微安下,含CoQ10催化剂电池在O2/Ar (4/1、v/v) 混合气体中的放电微分电化学质谱结果。

 

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图5  反应的能量增益和损失图

图注:反应的能量增益和损失(等式1-4)

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根据上述实验,上述四个等式反应了电池的放电反应机理。且可以根据公式计算得出反应自由能(见图5)。LiCoQ10O2 的低能量状态解释了由于稳定 LiCoQ10O2与电解质和阴极材料之间的副反应较少, 在Li–O2电池中的Li2O2产量得以提高。

锂空气电池在辅酶Q10催化下获得高容量高倍率放电性能

总结

研究表明,在 0.1–0.5 mA cm−2的电流密度范围内,含CoQ10催化剂的 Li–O2 电池放电容量是不含催化剂的Li–O2电池的40–100 倍。含CoQ10催化剂的 Li–O2电池的放电容量由Li2O2控制,与之前的电池相比,其副反应更少,CoQ10催化剂不仅有效的促进了O2从电极到电解液的电子转移,而且还与新形成的Li2O2相互作用,延缓了阴极表面沉积的形成。CoQ10催化剂的添加,使得电池的放电容量和稳定性得到大幅度提高,取得了突破性进展。

原文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201705571/full

(Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201705571
)

供   稿丨深圳市清新电源研究院

部   门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨余寒

主    编丨张哲旭

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本文由清新电源原创,作者清新电源媒体信息中心余寒供稿,转载请申请并注明出处:http://www.sztspi.com/archives/1815.html

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