Mo2C纳米颗粒修饰的碳纳米纤维作为锂-氧气电池的高效多孔电极

Sci. Bull. 封面文章

       锂-氧气二次电池由于其超高的能量密度(3600 Wh/kg)而引起广泛关注, 其反应机理是基于放电产物Li₂O₂形成与分解(Li⁺+O₂+2e⇌Li₂O₂ , ∆ E=2.96 V)。针对电池充/放电过程中ORR和OER反应动力学缓慢的问题, 中科院长春应用化学研究所张新波和吉林大学黄科科等巧妙地设计了一种自支撑的Mo₂C修饰的CNF多孔电极, 该电极独特的三维多孔结构和Mo₂C高效的催化性能, 有效提升了电池的电化学性能。该研究工作已在Science Bulletin 2018年第7期作为封面文章报道。

      目前锂-氧气电池的发展仍处于初级阶段,  仍面临多重挑战: (1) 难溶性放电产物Li₂O₂会随机沉积在电极表面, 堵塞电解液和氧气的扩散通道, 导致电池放电容量低; (2) 充/放过程所涉及的氧还原(ORR)和氧析出(OER)反应动力学缓慢, 电池过电位高,  严重降低了电池的能量利用效率。此外,  传统电极制备过程中使用的有机黏结剂在电池体系极不稳定,  容易分解产生一些副产物, 这些副产物会掩盖电极表面的活性位点, 堵塞氧气和电解液的扩散通道, 导致电池的性能下降, 甚至使电池“死亡”。

为了解决上述问题, 长春应化所张新波和吉林大学黄科科等利用静电纺丝技术和高温碳化处理过程合成制备了Mo₂C修饰的CNF(MCNFs)。制备过程中, 作者发现碳化温度的选择对Mo₂C的合成至关重要, 只有碳化温度达到900°C时才能形成Mo₂C。MCNFs电极具有三维网络多孔结构, 有利于电解液和氧气的快速传输, 同时还能够为放电产物的沉积提供足够的空间。此外, MCNFs电极的自支撑结构避免了黏结剂的使用。负载的Mo₂C纳米颗粒具有良好的ORR/OER催化活性, 能够有效地促进放电产物Li₂O₂形成与分解。基于上述优点, 采用MCNFs电极表现出良好的电化学性能。

图1 电极的制备过程及相关的结构形貌表征

图1 (a) MCNFs电极的制备示意图; (b) MCNFs和MNNFs的XRD图谱; (c) MCNFs的SEM图; (d, e) MCNFs的TEM图

      图2  MCNFs与纯NFs和Mo₂N修饰的CNF(MNNFs)电化学性能对比

图2  (a) MCNFs, MNNFs和NFs的充放电过程中的过电位; (b) MCNFs, MNNFs和NFs的CV曲线; (c) MCNFs、MNNFs和NFs的不同电力密度下的放电平台; (d−f) MCNFs, MNNFs和NFs在不同电流密度下的放电容量; (g) MCNFs的循环曲线; (h) MCNF, MNNFs和NFs的寿命对比 

       结果显示, MCNFs具有更小的充放电过电位(1.00 V)，不同电流密度下具有更高的放电平台和更大的放电容量，以及在电流密度为200 mA/g和限循环容量为500 mAh/g的条件下具有更长的循环寿命(130次)。

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Zhen-Dong Yang, Zhi-Wen Chang, Qi Zhang, Keke Huang, Xin-Bo Zhang. Decorating carbon nanofibers with Mo₂C nanoparticles towards hierarchically porous and highly catalytic cathode for high-performance Li-O₂ batteries. Sci Bull, 2018, 63(7): 433-440

https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.02.014

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