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物理化学学报  2016, Vol. 32 Issue (8): 1866-1879    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201605261
综述     
非水体系锂-空气电池研究进展
吴爱明1,夏国锋1,沈水云1,殷洁炜1,毛亚2,白清友2,解晶莹2,章俊良1,*()
1 上海交通大学燃料电池研究所,上海200240
2 上海空间电源研究所,上海航天技术研究院,上海200233
Recent Progress in Non-Aqueous Lithium-Air Batteries
Ai-Ming WU1,Guo-Feng XIA1,Shui-Yun SHEN1,Jie-Wei YIN1,Ya MAO2,Qing-You BAI2,Jing-Ying XIE2,Jun-Liang ZHANG1,*()
1 Institute of Fuel Cells, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, P. R. China
2 Shanghai Institute of Space Power-Sources, Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 200233, P. R. China
 全文: PDF(5636 KB)   HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
摘要:

锂-空气电池是目前已知具有最高能量密度的二次电池,有望成为未来电动汽车的动力电源。由于其能量密度高、环境友好以及成本较低,成为广大科研工作者研究的热点,在过去二十年间与之有关的研究已经在反应机理、电极结构、催化剂及电解液等各方面都取得了很大进展,但受诸多因素限制,其实用化仍然任重道远。本文总结了近几年来非水体系锂-空气电池在反应机理、正极材料、催化剂、电解液以及锂负极等方面的最新研究进展,并在此基础上展望其未来的发展方向。

关键词: 锂-空气电池反应机理正极材料锂负极电解液    
Abstract:

As a secondary battery, the Li-air battery has the highest theoretical specific energy and has been considered as one of the most promising power sources for electric vehicles. The Li-air battery based on organic electrolyte has become a topic of interest owing to its excellent theoretical energy density, environmental friendliness and low cost. During the past 20 years, much progress has been made in the development of the reaction mechanism, cathode structure, catalyst and electrolyte materials. But there are still many obstacles to overcome before its practical applications. In this paper, we review some of the latest progress in the research on the reaction mechanism, cathode materials, catalysts, electrolytes, as well as the lithium anode. Future research and development prospects are also discussed.

Key words: Li-air battery    Reaction mechanism    Cathode material    Lithium anode    Electrolyte
收稿日期: 2016-03-28 出版日期: 2016-05-26
中图分类号:  O646  
基金资助: 上海交通大学青年人才科研能力培育专项(14X10040061);国家重点基础研究发展规划项目(973)(2014CB932303);上海交通大学-密西根大学国际合作项目(15X120010002)
通讯作者: 章俊良     E-mail: junliang.zhang@sjtu.edu.cn
作者简介: 吴爱明,1990年生。上海交通大学机械与动力工程学院2014级硕博连读研究生,研究方向:锂空气电池|夏国锋,2013年于哈尔滨工业大学化工学院获得博士学位,2015年于上海交通大学博士后出站,现为上海交通大学机械与动力工程学院燃料电池研究所助理研究员。主要从事锂离子电池、锂空气电池以及质子交换膜燃料电池的研究与开发|沈水云,2012年毕业于香港科技大学机械工程专业获得博士学位。现为上海交通大学机械与动力工程学院燃料电池研究所讲师、博导。主要从事电催化、纳米材料、质子交换膜燃料电池和锂空气电池的研究与开发|殷洁炜,1984年生。2015毕业于上海交通大学应用化学专业获得博士学位。目前就职于上海交通大学机械与动力工程学院燃料电池研究所,担任助理研究员兼实验室主任。主要从事质子交换膜燃料电池电堆和电堆关键材料的开发,固体氧化物燃料电池电极材料以及锂空气电池相关催化剂的研究|毛亚,博士,2013年毕业于中国科学院物理研究所清洁能源实验室凝聚态物理专业。毕业后进入上海空间电源研究所,主要从事锂离子电池、下一代化学电源相关基础研究|白清友,1988年生。硕士学位,上海空间电源研究所电化学中心研究师,工程师。主要研究领域为电化学材料与储能元器件,包括安全性锂离子电池、高比能锂空气电池|解晶莹,工学博士,上海市动力与储能电池系统工程技术中心主任,中国电化学会及固态离子学会理事,《电源技术》编委,上海空间电源研究所教授、研究员、博导。长期从事化学电源相关材料、器件及系统工作的研究与开发|章俊良,1994年和1997年毕业于上海交通大学,分别获学士和硕士学位,2005年于美国纽约州立大学石溪分校获博士学位。2009年获得上海市“东方学者”特聘教授。现任上海交通大学机械与动力工程学院副院长,燃料电池研究所所长,上海交通大学“致远”讲席教授,国家“千人计划”暨首批上海“千人计划”特聘专家,Electrocatalysis国际期刊编委。多年来一直从事电化学、燃料电池、锂空气电池、锂离子电池及催化剂方面的研究,并取得多项突破性成果
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吴爱明
夏国锋
沈水云
殷洁炜
毛亚
白清友
解晶莹
章俊良

引用本文:

吴爱明,夏国锋,沈水云,殷洁炜,毛亚,白清友,解晶莹,章俊良. 非水体系锂-空气电池研究进展[J]. 物理化学学报, 2016, 32(8): 1866-1879.

Ai-Ming WU,Guo-Feng XIA,Shui-Yun SHEN,Jie-Wei YIN,Ya MAO,Qing-You BAI,Jing-Ying XIE,Jun-Liang ZHANG. Recent Progress in Non-Aqueous Lithium-Air Batteries. Acta Physico-Chimica Sinca, 2016, 32(8): 1866-1879.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201605261        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2016/V32/I8/1866

图1  分层多孔石墨烯的SEM图像23
图2  多孔金电极循环性能34
图3  TiC电极的循环性能35
图4  (a) Pd、Pt、Ru、Au及GC电极的氧还原反应(ORR)极化曲线,电极转速为100 r?min-1,扫描速率为20 mV?s-1;(b) Pd/C, Pt/C, Ru/C, Au/C及VC电极在电流密度100 mA?g-1时早期的放电曲线;(c)不同电极在电流密度为2 μA?cm-2时的ORR电位与相对电极表面氧吸附能(ΔEO)的关系图(电解液为0.1 mol?L-1 LiClO4/DME)37
图5  (a) CNT@RuO2的STEM图及结构示意图;(b)纯CNT和CNT@RuO2电极在电流密度为385 mA?g-1时的充放电曲线38
图6  (a) Pb2Ru2O6.5烧绿石中的电子导电路径;(b) Pb2Ru2O6.5的氧空位示意图;(c)介孔Pb2Ru2O6.5电极和碳电极的前3次充放电曲线48
图7  (a) CNT、Mo2C和Mo2C/CNT三种锂-空气电池电极在电流密度为100 mA?g-1,限定容量为500 mAh?g-1时的首圈充放电曲线;(b) Mo2C/CNT锂-空气电池电极在电流密度为100 mA?g-1,限定容量为500 mAh?g-1时的循环性能曲线66
图8  NPG电极在含有0.01 mol?L-1 TTF的1 mol?L-1 LiClO4/DMSO电解液中循环1、20和100次后的FTIR(a)和SERS(b)光谱68
Catalytic material Electrode Specific capacity Current density Normalized by the mass of material Reference
(mAh?g-1)
carbon CNT fibrils 3000 2000 mA?g-1 CNT 22
hierarchically porous graphene 15000 0.1 mA?cm-2 carbon 23
mesoporous carbon nanocube 22390 400 mA?g-1 carbon 26
bicontinuous nanoporous graphene 10400 300 mA?g-1 carbon 27
mesocellular carbon foam 2500 0.1 mA?cm-2 carbon 29
precious metal nanoporous gold 300 500 mA?g-1 Au 34
PtAu/C 1500 500 mA?g-1 carbon 36
CNT@RuO2 4350 100 mA?g-1 total cathode 38
Ru@porous graphene 17710 200 mA?g-1 graphene 39
porous AgPd-Pd composite 2650 0.2 mA?g-1 total cathode 42
Pd-modified hollow sphericalcarbon 12254 200 mA?g-1 carbon 43
transition metal oxide carbon/α-MnO2 nanowires 3000 70 mA?g-1 carbon 46
Fe2O3@C@MnO2 10200 100 mA?g-1 Fe2O3@C@MnO2 47
Pb2Ru2O6.5 10400 70 mA?g-1 carbon 48
MnCo2O4-graphene 3784 100 mA?g-1 MnCo2O4-graphene 52
CoFe2O4/rGO 12235 50 mA?g-1 rGO 53
La0.5Sr0.5CoO2.91 porous nanowires 11059 50 mA?g-1 total cathode 58
porous La0.75Sr0.25MnO3 nanotubes 11000 0.025 mA?cm-2 carbon 59
TiC 500 0.5 mA?cm-2 TiC 35
metal carbide/nitride nanoparticles TiN/Vulcan XC-72 6407 500 mA?g-1 carbon 60
bimodal mesoporous TiN/carbon 19100 100 mA?g-1 carbon 61
MoN/N-C 1400 0.1 mA?cm-2 total cathode 63
Mo2C/CNT 10000 100 mA?g-1 total cathode 66
表1  锂-空气电池中常用催化材料对电池放电比容量的影响
图9  不同电解液体系充电过程中O2和CO2气体与充电容量之间的关系76
图10  锂-空气电池中DMSO的分解机理80
图11  80次循环后锂负极的SEM(a, b)和XPS(c, d)图91
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