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用于长寿命锂-空气电池的铁-碳纳米管复合电催化剂
2017-05-19 10:12  

-空气二次电池是当前能量密度最高的二次电池体系之一。但电解液分解、高过电势、低能量转化效率、循环寿命短、需使用贵金属催化剂等问题显著制约了其实际应用。发展高效廉价的电化学催化剂以加速锂氧可逆反应热动力学过程是构筑高性能锂-空气电池的关键技术之一。研究表明:锂空气电池固态放电产物在正极表面的微观形貌结构对其表观电化学性能具有显著影响;对电催化剂表面性质、电子结构等进行精细调控,从而优化放电产物在正极表面的形貌结构与分布是实现高性能锂空气电池创制的重要途径。

近日,大连理工大学邱介山、王治宇教授课题组以商业化二氰胺与廉价铁盐为前驱体,基于简便易行的全固相热解反应实现了一种具有纳米电缆结构的新型铁-碳纳米管复合电催化剂的设计构筑与批量制备。第一性原理计算表明碳纳米管与其内部包覆的铁纳米结构之间存在显著的电荷转移与协同分布效应,这一效应可高效促进氧气在碳纳米管表面的化学吸附与转化,从而诱导锂空气电池放电产物(Li2O2)纳米结构在正极表面的均匀分布,从而降低析氧反应过电势,实现Li2O2在充电过程中的高效可逆分解。得益于此, 基于此类高活性电催化剂的锂-空气电池在限制比容量为600 mA h g1, 循环寿命可达270, 基于其与放电产物总质量的正极比能量可达2120–2600 W h kg1。该工作为深入理解锂-空气电池正极催化剂反应过程机制,创制开发长寿命、高能量锂-空气电池提供了新的思路。基于廉价商业化前驱体与一步热解反应的材料制备工艺路线较文献报道方法而言更易实现电催化剂的低成本规模化制备,可为商业化锂-空气电池的发展提供技术支持。

 

相关研究成果在线发表于Science China Materialshttps://link.springer.com/article/10.1007%2Fs40843-017-9021-6)。论文作者:于梦舟、周思、刘洋、王治宇、周涛、赵纪军、赵宗彬、邱介山)

上述研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金、中组部青年千人计划、霍英东教育基金会、四川大学高分子材料工程国家重点实验室的资助支持。

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