【摘 要】
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基于2Li+O2（?）Li2O2（E=2.96 V vs.Li+/Li）反应的Li-O2电池是目前已知的具有最高理论能量密度(3500 Wh kg-1)的电化学储能体系,拥有巨大的应用前景与研究价值。在正极中,电极材料的多孔结构是多相界面反应的重要保障。对材料多孔结构的优化,可通过凝胶化过程创造三维多孔网络,并经模板法或毛细干燥过程的调节来实现。本工作从凝胶化过程入手,探索了制备凝胶材料与调节其网
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基于2Li+O2（?）Li2O2（E=2.96 V vs.Li+/Li）反应的Li-O2电池是目前已知的具有最高理论能量密度(3500 Wh kg-1)的电化学储能体系,拥有巨大的应用前景与研究价值。在正极中,电极材料的多孔结构是多相界面反应的重要保障。对材料多孔结构的优化,可通过凝胶化过程创造三维多孔网络,并经模板法或毛细干燥过程的调节来实现。本工作从凝胶化过程入手,探索了制备凝胶材料与调节其网络结构的新颖而简便的方式。将多孔的凝胶材料应用于以Li-O2电池为代表的储能器件的电极中,可以体现材料多孔结构的优化对储能器件性能的提升作用,为构建具有理想多孔结构的电极材料提供了重要的设计思路。本文的创新成果包括以下几个部分:（1）提出了一种聚苯乙烯崭新且简便的凝胶化策略:以聚合物的微乳液作为前驱体,再加入两亲性有机溶剂后,使表面活性剂解吸附造成微乳液粒子团聚,进而通过表层分子链的相互缠结自组装成为三维交联的凝胶结构。明确了该过程中乳胶粒子尺寸、有机溶剂性质与温度等关键参数对凝胶化过程的影响。通过凝胶化时间、溶剂置换、毛细干燥时间等参数的控制,得以实现程度可控的毛细收缩;基于此凝胶化策略,可构建氧化石墨烯（GO）分散的PS基复合凝胶,再经PS宏观体模板脱除后得到可用作Li-O2正极的r GO气凝胶。（2）以Ce VO4作为高效的双功能光辅助电催化材料应用于Li-O2电池的正极。在放电过程中,该材料提升了放电比容量,并通过原位表征与DFT计算进行证实了其具有促进Li O2中间产物快速转化为Li2O2的电催化效应;在充电过程中,依靠其半导体能带原理可实现光照辅助条件下充电过电位的大幅降低。上述电和光辅助双功能催化共同有效抑制了副反应的发生,使电池的倍率性能和循环寿命得到了显著提升,优于先前基于其它传统半导体的光辅助Li-O2电池。（3）将Ce和V的前驱体离子吸附在GO片层上,再通过水热法一步制备了Ce VO4@r GO多孔复合凝胶材料。该凝胶化策略实现了Ce VO4纳米颗粒的均匀负载,并可利用毛细干燥过程使片层堆叠形成丰富的介孔结构,具有更高的比表面积和更充分的反应活性位点,从而进一步延缓副反应产物对电极表面的钝化,延长了光辅助Li-O2电池的循环寿命。该工作体现了从综合多孔结构的优化与负载高效催化材料的两个角度出发进一步协同优化Li-O2电池的优势。
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