摘 要

为了推进锂氧电池的实际化应用，使其成为真正意义上的锂空气电池，就要把环境中的空气作为正极氧气的来源。但是空气中的组分除了氧气之外，还有水和二氧化碳等等。其中二氧化碳与氧气相比，粒径更小，可压缩性更大，所以在锂空气电池中，它会优先于氧气进入电池内部。而一旦有二氧化碳进入就会有副产物碳酸锂的生成。而碳酸锂的分解电压很高（大于4V），会使得电池的充电过电势增大，电池的循环性能变差。所以这篇文章探究了不同浓度下的二氧化碳对锂空气电池电化学性能的影响。鉴于干空气中二氧化碳含量大约为300ppm，我们将此次探究的浓度范围限制在了0ppm-1000ppm之间。经过一系列探索，我们发现二氧化碳浓度越高，锂空气电池的主要放电产物过氧化锂的产率相应降低。

关键词：二氧化碳 锂空气电池 碳酸锂 电化学性能

The effect of various CO₂ concentrations on Li-air battery electrochemistry

Abstract

To achieve the practical application of lithium oxygen battery and make it to be a real lithium air battery ，it is of necessity to utilize ambient atmosphere as the origin of oxygen.However,ambient atmosphere does not only consist of oxygen but also water and carbon dioxide etc. The size of carbon dioxide is smaller than oxygen and its coercibility is larger.As a result,carbon dioxide will be prior to oxygen to corporate into the cell.In addition,once the carbon dioxide corporates into the cathode,it is necessary to form the by-products namely lithium carbonate which can only be decomposed under high potentials(gt;4V).Consequently,the overpotential of charge will increase markedly and the cyclicity of battery will be worsened.In addition,considering the fact that there is about 300ppm carbon dioxide in the dry air,this paper limits the concentration between 0ppm and 1000ppm.And after a series of research,we discover that in the lithium air battery, the main discharge product lithium peroxide decreases when the concentration of carbon dioxide increases.

Key words:carbon dioxide;lithium air battery;lithium carbonate ;electrochemistry

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 前 言 1

1.1引言 1

1.2锂空气电池的特点和组成 1

1.2.1 锂空气电池的特点 1

1.2.2 锂空气电池的组成 1

1.3 锂空气电池的分类和工作原理 4

1.3.1 锂空气电池的分类 4

1.3.2 锂空气电池的工作原理 5

1.4 锂空气电池的局限性及成因 6

1.4.1 锂空气电池的缺点 6

1.4.2 Li2CO3的主要生成途径 7

1.5本论文的研究内容和意义 8

本章小结 10

第二章 实验部分 11

2.1实验试剂 11

2.2实验仪器 11

2.3质谱电池 12

2.3.1结构组成 12

2.3.2质谱电池组装 12

2.3.3对所通入混合气的浓度的控制 13

第三章 实验结论 14

3.1 表征 14

3.1.1 紫外可见分光光度计测Li2O2产率 14

3.1.2 SEM（扫描电子显微镜） 14

3.2 三种溶剂体系 15

3.2.1溶剂为 TEGDME 15

3.2.2 溶剂为 DME 16

3.2.3 溶剂为DMSO 18

参考文献 21

致 谢 23

第一章 前 言

1.1引言

随着人口的增长、生产的大规模化，能源消耗与日俱增。但是能源总量是有限的，如果一味地坐吃山空，那能源枯竭便指日可待。所以，在开发利用新能源的同时，懂得实现能量的转化，把损耗的能量进行再次开发利用就显得尤为重要。而电化学储能依靠其自身的优势在众多储能方式中脱颖而出。它一方面具有快速响应和双向调节的技术特点，另一方面还具有环境适应性强、小型分散配置且建设周期短的技术优势。^[1]近年来，电化学储能技术日新月异，推出了一系列性能愈发优化的电池体系，包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池和金属空气电池等。其中，锂空气电池由于其极高的理论能量密度(3500Wh/kg,基于过氧化锂放电产物，约为锂离子电池理论比容量的二到五倍^[3][4]),有望取代其他传统电池体系，成为新一代车用功能电池。

1.2锂空气电池的特点和组成

1.2.1 锂空气电池的特点

锂空气电池是一个开放体系，其正极活性物质是环境空气中的氧气。由于其正极反应物氧气可以从环境中随取随用，所以锂空气电池与其他电池体系相比更具备实用化的优势。此外，锂空气电池的能量密度尤其高，在氧气的质量含括在内时也能达到3500 Wh·kg⁻¹，远大于其他电池。

1.2.2 锂空气电池的组成

1. 正极

锂空气电池的正极反应活性物质是氧气，但O₂不能直接作为电极，需要借助一个扩散电极（简称为空气正极）来完成充放电反应。空气正极由碳、催

化剂和聚合物粘结剂混合组成。该空气正极的结构会影响电池的电化学性能，尤其是比容量与正极的结构密切相关。^[20][21]正极的表面积越大，则相应的电化学活性位就越多，即在后续的放电过程中能形成更多的锂氧化物。但是，表面积不是唯一的因素，多孔电极的孔径也很重要。^[22]当孔径小至微孔尺寸时，孔的入口很容易被堵塞，而一旦入口被堵，那么孔内部的电化学活性位也就不能被利用。但当孔径太大也不好，太大的话正极理论体积能量密度就会降低。当孔径约为30nm时，即使其表面积小一些，电池的比容量也较高。

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