静电纺丝碳基Li-CO2电池正极材料的制备及性能研究.pdfVIP

摘要

随着全球变暖问题的日益严重和人们对绿色生活的越发向往，人们一致认为在全球

范围内减少碳排放，实现碳中和，减少温室气体对环境的影响是十分必要的。在当下新

能源产业蓬勃发展的时代，既拥有高能量密度，又能够利用二氧化碳作为反应气体的

Li-CO2电池受到了人们的青睐，被认为是具有潜在应用的前景的新型电化学器件。但是

目前Li-CO2电池还存在着一些关键问题亟待解决，如：电池的组成结构容易导致电解

液的挥发，充放电过程中副反应严重，放电产物碳酸锂不易分解等。本文从正极催化剂

材料入手，以设计合理的正极结构，负载合适的催化活性物质为目的，解决放电产物碳

酸锂不易分解的问题，提升Li-CO2电池充放电反应的可逆性。为此我们开展了以下三

方面的研究：

(1)以TiAlCMAX为前躯体，经过刻蚀，分层，破碎后得到TiCMXene纳米片

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材料，将MXene纳米片涂覆到经过碳化后的高导电性静电纺丝碳基膜(CNF)上制备出

CMX正极材料。制备得到CMX正极具有良好的三维结构，可以为碳酸锂的沉积提供

储存空间，同时有效防止片层之间的团聚，增加正极比表面积和催化活性位点。该正极

组装为Li-CO2电池拥有优异的电化学性能，在恒流100mAg-1条件下电池的首次放电

比容量超过69500mAhg-1。在电流密度为100mAg-1，恒容1000mAhg-1条件下能够稳

定循环116次，在循环过程中极化电压小于1.3V。采用SEM、XPS、FTIR等测试表征

结果，发现在循环过程中CMX正极能够催化放电产物碳酸锂可逆的生成和分解。制备

的CMX正极在Li-CO2电池中很好地发挥了催化作用，降低了充放电反应的过电位，提

升了放电比容量和循环稳定性。

(2)以盐酸胍为反应物，将盐酸胍溶解后滴涂到静电纺丝碳基膜(CNF)上，在管式

炉中氮气气氛下加热处理，将盐酸胍转化为CN片层，形成原位生长的一体化CN/CNF

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材料作为Li-CO电池正极极片。通过这一方法可以将CN片层负载到CNF的纤维表

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面，抑制了片层材料容易团聚这一问题的发生。由此方法制备的CN/CNF正极不需要

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粘结剂的使用，避免了粘结剂对Li-CO2电池性能的影响，更有利于反应时电荷的转移

和物质交换。得益于CN/CNF正极的结构特点和CN的催化作用使得Li-CO电池在

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I

电流密度为100mAg-1、恒容1000mAhg-1条件下，稳定循环了123次，在100次循环

时极化电压为1.46V。在恒流100mAg-1条件下电池的首圈放电比容量达到了47513

mAhg-1。在对充电产物的研究中发现该材料能够很好地催化碳酸锂的生成和分解。该

材料有效降低了Li-CO2电池充放电反应极化电压，提高了电池的循环稳定性。

(3)以静电纺丝碳基膜(CNF)为基体，乙酸镍和三聚氰胺为反应物，在氮气气氛下

原位合成一体化Ni/CNT/CNF正极。该材料在CNF的三维结构中生成的Ni/CNT形成

了立体网状结构，此结构很好地将Ni元素分散开来，防止金属颗粒的团聚，增加了充

放电反应活性位点。使用Ni/CNT/CNF为正极材料的Li-CO2电池，在100mAg-1、恒容

1000mAhg-1的条件下稳定循