锂空气电池电解液添加剂及碳电极的改性研究.pdf

摘要

有机体系锂空气电池具有超高的理论能量密度（3458Wh∙kg-1），未来在电动汽

车、移动储能和航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而，锂空气电池目前仍处

于基础研究阶段，存在充放电过电位高、电池循环性能差、空气电极上氧反应速率

缓慢及负极锂枝晶等问题，阻碍了其实用化进程。针对这些问题，本论文从电解液

添加剂和正极碳材料改性两方面进行研究，以提升锂空气电池的性能。

对于电解液添加剂的研究，引入双功能电解液添加剂碘化钾（KI），以降低电

池的充电过电位、提高空气电极的反应活性及锂电极的循环稳定性，电池在限容

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500mAhg下的循环次数提升了2倍。一方面，I可逆的氧化还原反应使其可以充

当液相“氧化还原介体”，有效降低电池的充电极化约0.7V；结合SEM、FTIR等

-

分析可知，I可以促进放电产物的氧化分解，抑制空气电极性能的衰减。另一方面，

+

引入钾离子添加剂（KTFSI），Li|Li对称电池测试表明K可以降低锂电极循环时的

+

电压差约50mV，循环寿命也显著提升；锂空气电池的测试及表征表明，K可以

有效抑制负极锂枝晶的产生，改善锂电极的形貌，减少表面副产物，提升锂电极的

+

电化学性能。此外，K还有利于提升放电中间产物超氧化锂（LiO）的溶解度，促

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进LiO的液相途径生成，锂空气电池在100mAg-1电流密度下的放电容量由3100

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mAhg-1提升至6100mAhg-1。

通过引入添加剂KI，与LiI对比可以发现，KI更有利于提升锂空气电池的循

环性能。进一步与放电过程的添加剂2,5-二叔丁基-1,4-苯醌（DBBQ）联用，可以

显著提升锂空气电池在高比容量下的循环稳定性。

对于碳材料的改性研究，采用BP2000作为锂空气电池的正极材料，二苯基二

硒（DDS）作为硒源，通过高温煅烧向碳材料中掺入非金属元素硒。对掺杂工艺参

数进行优化可知，当碳材料与硒源的质量比为2:1，且高温煅烧温度为1000℃时，

可以得到放电性能最佳的硒掺杂的碳材料（Se-P2000）。利用EDS、Raman、XPS

等测试手段对材料进行分析可知，硒原子可以成功的掺入到碳材料中并与之形成

C-Se键，有利于产生更多的缺陷和活性位点，旋转圆盘电极测试表明硒掺杂显著

提升了碳材料的氧还原性能。进一步测试其在锂空气电池中的充放电性能可知，硒

掺杂使得电池在100mAg-1下的放电容量由2635mAhg-1提升至3868mAhg-1，且

放电极化显著减小了40mV，循环性能也有一定程度的提升。通过对放电产物的形

貌和组分进行分析，探究硒掺杂的作用机制。结果表明，硒掺杂提高了碳电极的反

应活性，促进了放电产物的液相生成，使得环状产物呈现更均匀、密集的分布，同

时减少了LiCO等副产物的生成，提升了电池的性能。

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关键词：锂空气电池；电解液添加剂；锂负极；碳材料改性；非金属元素掺杂

Abstract

Non-aqueouslithium-airbatterieshavegreatprospectsinthefieldsofelectric

vehicles,mobileenergyandaerospaceduetotheirultra-hightheoreticalenergydensity

(3458Wh∙kg-1).However,lithium-airbatteriesarestillintheinitialstageandexist