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近年来,随着环境污染和能源危机的日益加剧,开发高效、无污染的能源体系受到了更多的重视,而发展电动汽车被认为是解决这一问题的一项可行性措施。然而目前常规的电源体系,如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等都很难支持电动汽车的远距离行驶,因此有着高理论比能量(11140Wh/kg)的锂-空气电池受到了越来越多的关注。锂-空气电池被认为是下一代电动车的电源体系。然而目前锂-空气电池在研究中仍然存在很多阻碍其商业化的问题,如非水电解液体系中放电产物不溶于电解液,会在空气电极中堆积直至堵塞氧气的扩散通道使放电提前停止;锂-空气电池充电过程需要分解具有很强离子键的锂的氧化物,这一过程需要很高的活化能,充放电过程高的极化使得电池的循环效率很低;目前锂-空气电池使用的有机系电解液中氧的溶解度和扩散系数都很小导致电池的高倍率放电性能不理想,而且使用的电解液在电池工作过程中不稳定,同时有机系电解液溶剂的高挥发性导致电池的长时间工作性能和循环性能不佳等等。针对上述提到的问题,本论文展开了如下的一些基础工作:本论文第一部分将常在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中使用的气体扩散层和催化层的双层结构电极(PTFE处理过的碳纸作为气体扩散层)应用到锂-空气电池空气电极的制作中,取得了不错的放电性能。发现采用PTFE处理过的碳纸作为气体扩散层能为正极活性物质氧气提供良好的扩散通道,将催化层以喷涂的方式使其附着在碳纸纤维上形成纤维状的催化层,有助于形成发育的三相反应界面,使放电反应能更深入到空气电极隔膜侧,更多的催化层活性点能被用于放电反应,从而提高电池的放电容量。制备的双层结构空气电极比采用将催化层喷涂在隔膜上和常规的涂覆在泡沫镍上制备的空气电极获得了更高的放电容量。采用双层结构的气体扩散电极组装的锂-空气电池,当催化层碳载量为2.077mg/cm2时,在纯氧环境和0.15mA/cm2的电流密度下,电池获得了高达6587mAh/g 碳的放电比容量。本论文的第二部分我们合成和购买了几种不同的催化剂(EMD、NiO、Co304、Fe203、α-Mn02、Pt以及不含催化剂的碳粉),并以此制作空气电极,研究了制备的空气电极的性能。采用两电极体系测试了催化剂在碳酸酯类有机电解液(1M LiPF6的EC/EMC/DMC)中对于氧还原和氧析出反应的催化活性。其中制备的α-MnO2催化剂和购买的Pt/C催化剂显示了较好的氧还原和氧析出催化活性。在随后的电池充放电测试中,制备的α-MnO2催化剂获得了最好的放电容量和循环性能。研究发现催化剂的使用对于电池的首次放电容量的影响不明显,但是催化剂的使用对电池的充电过程和后续循环过程的作用效果是很明显的。本论文的第三部分采用低挥发性的离子液体制备了新型的离子液体电解液(0.8M LiTFSI的[Bmim]TFSI)用于锂-空气电池中。选取了三种电解液#1(1M LiPF6的EC/EMC/DMC)、#2(1M LiPF6 的 EC/EMC/DEC)、#3(0.8M LiTFSI 的[Bmim]TFSI),分别测试了电解液的电化学性能(CV、Tafe1)和充放电性能。研究发现,氧气在三种电解液中的还原反应是受扩散控制的。由于离子液体本身的黏度大,氧在电解液中的浓度和扩散系数都比有机系电解液小,而三种电解液中#1的黏度最小,采用电解液#1获得了最高的放电容量和放电电压以及最低的充电电压(充放电电流0.1mA/cm2)。离子液体的大电流放电性能较差,但是离子液体比有机电解液更稳定,不易挥发,能支持电池的长时间工作,在0.02mA/cm2的电流密度下,组装的电池已循环工作2000多小时(充放电10次),性能未见明显衰退。