摘要
锂空气电池作为高能量密度锂二次电池的代表，具有很高的研究价值和实际应用的潜力。然而在电池反应过程中正极侧生成的钝化产物层，显著降低电池的可充电性，严重影响了锂空气电池的循环稳定性。更为关键的是，放电过程中伴随着高活性中间产物超氧化锂（LiO2）的生成与绝缘固相产物过氧化锂（Li2O2）的积累，以及充电过程由于产物难分解的特性造成极化电压（＞4.2Vvs.Li+/Li）远超理论平衡电位（2.96V），引发高电位下电解液分解、产物不完全分解与副产物如碳酸锂（Li2CO3）等积累以及能量往返效率低等问题。为了从根本解决产物难分解与副反应等问题，需引入催化剂诱导产物的均匀成核与生长。本文立足新型催化剂调控产物成核与分解过程，促进反应可逆性，进而构建高容量、长循环的锂空气电池。 通过溶剂热方法合成了高（110）晶面的氧化铁（α-Fe2O3）催化剂，均匀负载在碳纳米管表面，构建了兼具光催化和电催化活性的三维多孔正极。利用α-Fe2O3特殊的亲氧性与（110）晶面的高光催化活性，使Li2O2的成核由液相锚定在氧化铁表面，诱导产生更多的产物成核位点；在可见光的作用下，氧化铁催化剂产生的光生电子参与放电过程，促进放电产物沿电极表面均匀沉积，避免了产物局部聚集引起的电极钝化，显著提升了真实空气环境下锂空气电池的放电容量与循环稳定性。 通过将具有氧物种吸附作用的邻苯二甲酰亚胺-N-氧化锂（LiPINO）作为锂空气电池相转移催化剂（PTC），显著提升氧气以及含氧中间体在电解液中的溶解度，诱导产物在溶液中生成与分解。与普通的氧化还原介体（RM）依靠电子得失进而催化锂氧反应不同，LiPINO在充放电过程中保持着电中性，自身不发生氧化还原反应，避免了因电迁移和扩散引起的锂负极副反应等问题。Li2O2的沉积与分解过程在LiPINO的诱导下进行，产物成核与分解过电位显著降低。基于LiPINO的锂氧电池具有超过11400mAhg-1的超高容量和3.14V的低充电电位，在1000mAhg-1的高容量下可以稳定循环200圈的同时保持放电平台高于2.5V。LiPINO催化的电池在真实空气中运行也有良好的效果。
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