12-冠-4对非质子Li-O2电池氧电极的影响

doi:10.3866/PKU.WHXB201510133

物理化学学报 >> 2016, Vol. 32 >> Issue (1): 343-348.doi: 10.3866/PKU.WHXB201510133

12-冠-4对非质子Li-O₂电池氧电极的影响

王晓晨,王英明,刘威,白若鹏,刘艳芳,肖丽*(),陆君涛,庄林

武汉大学化学与分子科学学院，化学电源材料与技术湖北省重点实验室，武汉 430072

收稿日期:2015-08-12 发布日期:2016-01-13
通讯作者: 肖丽 E-mail:chem.lily@whu.edu.cn
基金资助:
国家重点基础研究发展规划项目(973)(2012CB932800, 2012CB215500);国家自然科学基金(21125312, 21203142, 21573167);国家教育部博士点专项基金(20110141130002);中央高校基本科研业务费专项资金(2014203020207)

Influence of 12-Crown-4 on Oxygen Electrode of Aprotic Li-O₂ Battery

Xiao-Chen WANG,Ying-Ming WANG,Wei LIU,Ruo-Peng BAI,Yan-Fang LIU,Li XIAO*(),Jun-Tao LU,Lin ZHUANG

College of Chemistry and Molecular Sciences, Hubei Key Lab of Electrochemical Power Sources, Wuhan University, Wuhan 430072, P. R. China

Received:2015-08-12 Published:2016-01-13
Contact: Li XIAO E-mail:chem.lily@whu.edu.cn
Supported by:
the National Key Basic Research Program of China (973)(2012CB932800, 2012CB215500);National Natural ScienceFoundation of China(21125312, 21203142, 21573167);Doctoral Fund of Ministry of Education of China(20110141130002);FundamentalResearch Funds for the Central Universities, China(2014203020207)

摘要/Abstract

摘要：

Li-O₂电池放电产物Li₂O₂由于在有机溶剂中溶解度较差，会堵塞气体通道，这是Li-O₂电池面临的一个主要挑战。在本工作中，我们选择12-冠-4做为添加剂捕获Li⁺，来研究其对氧电极放电产物溶解性的影响，并采用了多种电化学表征方法，包括循环伏安法和旋转圆盘电极等。结果显示，仅仅添加5%的12-冠-4就能明显提高氧还原产物$\text{O}_{2}^{-}$的稳定性，并减少固体Li₂O₂的生成。结合软硬酸碱和第一性原理计算对上述实验结果进行了解释。

关键词: Li-O₂电池, 氧电极, 冠醚, 软硬酸碱理论

Abstract:

One of the major challenges with Li-O₂ batteries is that the discharge product, Li₂O₂, blocks the gas pathway because of its poor solubility in aprotic solvents. In this work, 12-crown-4 ether was used as an additive to capture Li⁺, and its influence on the solubility of the discharge products of the oxygen electrode was investigated. Multiple electrochemical methods, including cyclic voltammetry and rotating-ring disk electrode, were used. The results show that the addition of only 5% of 12-crown-4 ether significantly improves the stability of the oxygen reduction product $\text{O}_{2}^{-}$, and decreases the formation of solid Li₂O₂. We used a combination of the hard-soft-acid-base theory and ab initio calculations to explain these observations.

Key words: Li-O₂ battery, Oxygen electrode, Crown ether, Oxygen electrode, Hard-soft-acid-base theory

MSC2000:

O646

王晓晨,王英明,刘威,白若鹏,刘艳芳,肖丽,陆君涛,庄林. 12-冠-4对非质子Li-O₂电池氧电极的影响[J]. 物理化学学报, 2016, 32(1): 343-348.

Xiao-Chen WANG,Ying-Ming WANG,Wei LIU,Ruo-Peng BAI,Yan-Fang LIU,Li XIAO,Jun-Tao LU,Lin ZHUANG. Influence of 12-Crown-4 on Oxygen Electrode of Aprotic Li-O₂ Battery[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2016, 32(1): 343-348.

参考文献

1	Abraham K. M. ; Jiang Z. J. Electrochem. Soc 1996, 143, 1.
2	Girishkumar G. ; McCloskey B. ; Luntz A. C. ; Swanson S. ; Wilcke W. J. Phys. Chem. C 2010, 1 (2193)
3	Wang Y. G. ; Zhou H. S. J. Power Sources 2010, 195, 358.
4	Ogasawara T. ; Debart A. ; Holzapfel M. ; Novak P. ; Bruce P. G. J. Am. Chem. Soc 2006, 128, 1390.
5	Leskes M. ; Drewett N. E. ; Hardwick L. J. ; Bruce P. G. ; Goward G. R. ; Grey C. P. Angew. Chem. Int. Edit 2012, 51, 8560.
6	Choi N. ; Chen Z. H. ; Freunberger S. A. ; Ji X. L. ; Sun Y. ; Amine K. ; Yushin G. ; Nazar L. F. ; Cho J. ; Bruce P. G. Angew. Chem. Int. Edit 2012, 51, 9994.
7	Yoshino A. Angew. Chem. Int. Edit 2012, 51, 5798.
8	Wang Z. L. ; Xu D. ; Xu J. J. ; Zhang L. L. ; Zhang X. B. Adv. Funct. Mater 2012, 22, 3699.
9	Shao, Y. Y.; Ding, F.; Xiao, J.; Zhang, J.; Xu, W.; Park, S.; Zhang, J. G.; Wang, Y.; Liu, J. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 987. doi: 10.1002/adfm.v23.8
10	Park M. ; Sun H. ; Lee H. ; Lee J. ; Cho J. Adv. Funct. Mater 2012, 2, 780.
11	Cao R. G. ; Lee J. ; Liu M. L. ; Cho J. Adv. Funct. Mater 2012, 2, 816.
12	Oh S. H. ; Nazar L. F. Adv. Funct. Mater 2012, 2, 903.
13	Lim H. ; Park K. ; Song H. ; Jang E. Y. ; Gwon H. ; Kim J. ; Kim Y. H. ; Lima M. D. ; Robles R. O. ; Lepró X. ; Baughman R. H. ; Kang K. Adv. Mater 2013, 25, 1348.
14	Shao Y. Y. ; Park S. ; Xiao J. ; Zhang J. G. ; Wang Y. ; Liu J. ACS Catal 2012, 2, 844.
15	Schaetz A. ; Zeltner M. ; Stark W. J. ACS Catal 2012, 2, 1267.
16	Bruce P. G. ; Freunberger S. A. ; Hardwick L. J. ; Tarascon J. M. Nat. Mater 2011, 11, 19.
17	Ren X. D. ; Wu Y. Y. J. Am. Chem. Soc 2013, 135, 2923.
18	Hartmann P. ; Bender C. L. ; Vracar M. ; Dürr A. K. ; Garsuch A. ; Janek J. ; Adelhelm P. Nat. Mater 2013, 12, 228.
19	Li C. M. ; Fontaine O. ; Freunberger S. A. ; Johnson L. ; Grugeon S. ; Laruelle S. ; Bruce P. G. ; Armand M. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 3393.
20	Laoire C. ; Mukerjee S. ; Plichta E. J. ; Hendrickson M. A. ; Abraham K. M. J. Electrochem. Soc 2011, 158, A302.
21	Aetukuri N. B. ; McCloskey B. D. ; García J. M. ; Krupp L. E. ; Viswanathan V. ; Luntz A. C. Nat. Chem 2015, 7, 50.
22	Liu T. ; Leskes M. ; Yu W. J. ; Moore A. J. ; Zhou L. N. ; Bayley P. M. ; Kim G. ; Grey C. P. Science 2015, 350, 530.
23	Li L. F. ; Lee H. S. ; Li H. ; Yang X. Q. ; Huang X. J. Electrochem. Commun 2009, 11, 2296.
24	Zheng D. ; Lee H. S. ; Yang X. Q. ; Qu D. Electrochem. Commun 2013, 28, 17.
25	Shanmukaraj D. ; Grugeon S. ; Gachot G. ; Laruelle S. ; Mathiron D. ; Tarascon J. M. ; Armand M. J. Am. Chem. Soc 2010, 132, 3055.
26	Xie B. ; Lee H. S. ; Li H. ; Yang X. Q. ; McBreen J. ; Chen L. Q. Electrochem. Commun 2008, 10, 1195.
27	Lopez N. ; Graham D. J. ; McGuire R. ; J r. ; Alliger G. E. ; Yang S. H. ; Cummins C. C. ; Nocera D. G. Science 2012, 335, 3243.
28	Schmidt M. W. ; Baldridge K. K. ; Boatz J. A. ; Elbert S. T. ; Gordon M. S. ; Jensen J. H. ; Koseki S. ; Matsunaga N. ; Nguyen K. A. ; Su S. J. ; Windus T. L. ; Dupuis M. J. Comput. Chem 1993, 14, 1347.
29	Laoire C. O. ; Mukerjee S. ; Abraham K. M. ; Plichta E. J. ; Hendrickson M. A. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 9178.
30	Trahan M. J. ; Mukerjee S. ; Plichta E. J. ; Hendrickson M. A. ; Abrahama K. M. J. Electrochem. Soc 2013, 160, A259.
31	Allen C. J. ; Hwang J. ; Kautz R. ; Mukerjee S. ; Plichta E. J. ; Hendrickson M. A. ; Abraham K. M. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 20755.
32	Herranz, J.; Garsuch, A.; Gasteiger, H. A. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 19084.
33	Albery J. W. ; Hitchman L. M. ; Ulstrup J. Trans. Faraday Soc 1968, 64, 2831.
34	Bard J. ; Faulkner L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals & Applications, 2nd ed., Wiley: Hoboken 2001, p 669.
35	Pearson G. R. J. Am. Chem. Soc 1963, 85, 3533.
36	Freunberger S. A. ; Chen Y. H. ; Drewett N. E. ; Hardwick L. J. ; Bardé F. ; Bruce P. G. Angew. Chem. Int. Edit 2011, 50, 8609.
37	Peng Z. Q. ; Freunberger S. A. ; Hardwick L. J. ; Chen Y. H. ; Giordani V. ; Bardé F. ; Novák P. ; Graham D. ; Tarascon J. M. ; Bruce P. G. Angew. Chem. Int. Edit 2011, 50, 6351.

[1]	赵岩,敖银勇,陈建,宋宏涛,黄玮,彭静. 基于密度泛函理论研究锂-冠醚复合物的结构和热力学参数[J]. 物理化学学报, 2016, 32(7): 1681-1690.
[2]	周瀚洋, 于天麟, 敖银勇, 彭静, 翟茂林. Sr(NO₃)₂·DCH18C6配合物晶体结构与辐射稳定性[J]. 物理化学学报, 2014, 30(8): 1581-1586.
[3]	阳炳检, 王红, 李磊, 黄博文, 廖小珍, 何雨石, 马紫峰. 热处理温度对锂氧气电池用Co-N/C催化剂催化性能的影响[J]. 物理化学学报, 2014, 30(1): 150-156.
[4]	程维娜, 胡新根, 邵爽. 大环疏水效应: 冠醚在DMF+H₂O混合物中的焓对作用[J]. 物理化学学报, 2013, 29(10): 2114-2122.
[5]	杨榕杰, 郭亚, 唐方苗, 王小平, 杜荣归, 林昌健. 模拟混凝土孔隙液中D-葡萄糖酸钠复合缓蚀剂对钢筋的阻锈作用[J]. 物理化学学报, 2012, 28(08): 1923-1928.
[6]	鲍晋珍, 王森林. Ni/NiCo₂O₄复合电极的制备及其在碱性介质中的析氧性能[J]. 物理化学学报, 2011, 27(12): 2849-2856.
[7]	刘鹏;李曦;潘牧. 微量热法研究碱土金属离子与18-冠-6结合的热力学常数[J]. 物理化学学报, 2008, 24(01): 161-164.
[8]	唐致远;宋世栋;刘建华;潘丽珠;南俊民. La_1－xSr_xNi_1－yCo_yO₃双功能氧电极的电化学性能[J]. 物理化学学报, 2003, 19(09): 785-790.
[9]	江华;许慧君. 用能量转移探测萘-蒽二元分子体系的构象变化[J]. 物理化学学报, 2001, 17(12): 1092-1096.
[10]	司永超, 韩佐青, 陈延禧. 催化剂制备工艺对PEMFC氧电极性能的影响[J]. 物理化学学报, 1998, 14(04): 361-364.
[11]	韩佐青,司永超,陈延禧,杨兰生. 采用Nafion粘结剂的PEMFC氧电极研究[J]. 物理化学学报, 1997, 13(05): 432-437.
[12]	杨捷, 唐作华, 吴德印, 李泽荣, 田安民, 鄢国森. 18-冠醚-6的构象研究[J]. 物理化学学报, 1995, 11(11): 1008-1013.
[13]	马世红, 韩奎, 陆兴泽, 王恭明, 郑家骠, 王文澄, 姚钟麒. 新型隔层材料LB交替多层膜的二次谐波研究[J]. 物理化学学报, 1995, 11(07): 650-653.
[14]	孙祥玉,刘扬. 取代苯肼及其冠醚络合物光解行为的研究[J]. 物理化学学报, 1995, 11(04): 342-345.
[15]	刘育, 王晓东, 不显和, 陈荣悌, 大内幹雄, 井上佳久. 冠醚与金属离子配位作用的扩环效应[J]. 物理化学学报, 1994, 10(12): 1105-1109.

12-冠-4对非质子Li-O₂电池氧电极的影响

Influence of 12-Crown-4 on Oxygen Electrode of Aprotic Li-O₂ Battery

RichHTML

PDF (PC)

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 10