原位负载Au 纳米层在锂空气电池正极中的电催化特性
非水性Li-O2 电池具有目前可逆电池中最高的比能量, 近年来在化学电源研究领域备受关注.目前, Li-O2 电池的相关研究都是在纯氧条件(pO2 ≥0.1 MPa)下进行, 但从实际应用角度出发,Li-O2 电池最终将在大气氛围下运行并需要保持良好的性能. 当Li-O2 电池的工作环境从纯氧换成大气时, 电池的输出能量会显著降低. 这主要是因为大气下氧分压很低( ~0.021 MPa), 恶化了电池的氧传输性能和氧还原反应动力学性能. 另一方面, 由于锂空气电池氧气电极动力学性能差, 无论在纯氧还是在大气下充电, 电池都需要很高的过电位, 充电可逆性差。为了提升Li-O2 电池在大气下的电化学性能, 国内外学者们从多个角度展开了积极的研究, 如增强电解液中的氧传输能力或设计新型电极以构建三相反应界面等. 研究发现, 在氧气电极中添加电催化剂有助于电池在大气下的运行, 虽然氧气电极的放电容量有一定提升, 但上述催化剂对氧气生成反应(OER)没有明显的催化效果. 贵金属催化剂如Ag, Au, Pd, Pt 和Ru(NMCs)等对非水性Li-O2 电池的氧气还原反应(ORR)或OER 反应具有良好的催化性.自交换法制备过程简单, 产物具有独特的纳米结构, 已得到了广泛的应用. Au 具有较高的氧化还原电位(1~5 V) , 可与锂空气电池中的泡沫镍集流体发生自发交换反应, 实现纳米金催化剂的原位负载.采用自发交换法在泡沫镍表面原位生成了Au 纳米层(ANL), 形貌分析显示, 三维网状泡沫镍基底上负载的Au 纳米层分布均匀, 将其应用于非水性锂空气电池作为正极集流体, 考察了ANL作为双功能催化剂对非水性Li-O2 电池在大气或模拟大气下充放电与循环性能的影响.
以三维网状泡沫镍为基底, 通过自交换法在泡沫镍表面原位生成Au 纳米层, 对原位生长的ANL的形貌与微结构进行了表征, 并将其作为锂空气电池的氧气电极集流体进行了电化学性能测试. 结果表明, 原位复合Au 纳米层改善了电极的电催化性能, 提升了氧气电极的ORR 和OER 动力学性能, 使氧气电极在纯氧、大气和模拟大气下的首次放电容量与电压都显著提升(容量分别提升至9169, 1604和1853 mA•h/ gcarbon); 同时, 氧气电极在模拟大气下的充电过电位有一定的降低, 能量效率略有提高, 循环性能得到提升, 第10 次循环时容量仍有498.5 mA•h/ gcarbon, 远高于SP 电极的149.5 mA•h/ gcarbon, 是一种性能良好的锂空气电池氧气电极集流体