目前，包括多孔碳、納米碳管和石墨烯等在內(nèi)的碳材料是二次鋰氧氣電池研究中普遍使用的正極載體。碳材料的優(yōu)勢在于：質(zhì)量輕，比表面積大，電子導電率高，有利于三相電極反應；資源豐富，來源簡便，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用等。但在非水系鋰氧氣電池研究領(lǐng)域，碳材料存在穩(wěn)定性不足等問題。非水系鋰氧氣電池在放電過程中發(fā)生1電子或2電子氧氣還原反應，生成氧化性極強的超氧根或超氧化鋰中間產(chǎn)物，嚴重氧化碳材料并促進電解液分解，生成大量碳酸鋰和羧酸鋰等副產(chǎn)物導致電極鈍化和電池容量衰減。因此，提高碳基正極的抗氧化性和電化學穩(wěn)定性是解決此類問題的基礎(chǔ)要素。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員張濤團隊提出碳骨架和超薄非碳皮膚層相結(jié)合發(fā)展穩(wěn)定的碳基復合正極載體的思路。該研究團隊以多壁碳納米管、金屬鈦粉和碘為原料，通過氣相外延生長方法控制多壁碳納米管表面sp2雜化碳層的反應程度，由外向內(nèi)地將碳納米管壁逐層轉(zhuǎn)化成TiC表面層。通過調(diào)節(jié)反應溫度和時間，可以將表面層厚度精確控制在幾個納米到十納米范圍之內(nèi)。該方法具有普適性，可以拓展應用于石墨烯和導電炭黑等碳材料。這種碳/非碳復合材料提高了鋰氧氣電池正極對于O2-的穩(wěn)定性，減少了副產(chǎn)物Li2CO3的形成。在復合載體上負載Ru納米顆粒作為催化劑，電池表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)工作以Inward growth of superthin TiC skin on carbon nanotube framework as stable cathode support for Li-O2 bateries 為題發(fā)表在能源材料領(lǐng)域?qū)W術(shù)期刊Energy Storage Materials上（2020, DOI: 10.1016/j.ensm.2020.04.018）。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生楊楚舒，導師為張濤。
近期，張濤團隊在鋰氧氣電池空氣正極載體材料設(shè)計及穩(wěn)定性研究方面已取得系列進展，如選用取材廣泛的植物韌皮組織作為空氣正極，在放電過程中轉(zhuǎn)化得到的分級多孔微米篩管徑與過氧化鋰尺寸比為6:1，可為過氧化鋰提供充足的儲存空間并提高循環(huán)穩(wěn)定性（Green Chemistry, 2020, 22, 388-396）；此外，團隊提出無氧化成策略，在碳正極表面構(gòu)筑超薄氟化鋰表面層提高鋰氧氣電池的循環(huán)穩(wěn)定性。區(qū)別于常用的鋰氧氣電池正負極分開保護的方法，在電池循環(huán)測試前，通過無氧化成電化學處理，在正負極表面同時形成富含氟化鋰的保護層。電池工作時，正極側(cè)超薄的保護層可有效抑制超氧根對碳材料的攻擊，而鋰負極側(cè)較厚的保護層可有效阻擋電解液對鋰負極的腐蝕。采用這種原位保護方法，鋰氧電池的循環(huán)穩(wěn)定性大大提高。該工作首次將儲能電池常用的化成技術(shù)與鋰氧氣電池結(jié)合以提高活性材料穩(wěn)定性，申請中國發(fā)明專利一項，申請?zhí)枺?01811367550.1，具有良好應用前景（Energy Storage Matierals, 2019, 23, 670-677）。
相關(guān)研究工作得到國家自然科學基金、中科院和上海市項目等資助。
碳/非碳復合正極載體材料制備過程
TiC/MWNTs碳基復合載體材料的結(jié)構(gòu)表征
來源：中國粉體網(wǎng)