一、实验原理

1．主要性质和用途

锂空气电池（lithium一air battery）是介于燃料电池和锂电池之间的新一代高性能绿色二次电池，其理论比能量高达11.14 W·h/kg(Li)，是锂离子电池的6一9倍，具有输出电压稳定、环境友好等优点。

2．实验原理

使用有机电解液的锂空气电池的工作原理如图9.22所示。

如图9.22所示，O₂在多孔空气阴极表面与电子结合生成护O^2-或者O₂^2- ，然后再与电解液中的Li⁺结合，生成Li²0₂或者Li₂0。在有机电解液中，放电产物氧化锂和过氧化锂均不溶解于有机电解液，会在多孔空气阴极上沉积，堵塞空气阴极的孔道，导致了放电终止，需要充电（将锉氧化物分解）后再次放电。

电池使用有机电解液时，化学反应式如下：

阴极反应1                          O₂ + 2e^- + 2Li⁺ →Li₂0₂                             (1)

阴极反应2                          O₂+4e^- +41i⁺ →2Li₂0                          (2)

阳极反应                            Li⁺＋e^-  →1i                                         (3)

电池总反应1                       2Li + 0₂→Li₂0₂ (E^Θ = 2.959 V)              (4)

电池总反应2                       4Li+O₂→2Li₂O (E^Θ = 2.913 V)               (5)

二、主要仪器和药品

手套箱、多头磁力搅拌器、真空干燥箱、手动纽扣电池切片机、手动液压封口机、万分之一电子天平、BTS系列电池测试系统、超声波清洗仪。

BP2000碳粉、有机电解液、泡沫镍、隔膜、聚偏氟乙烯（黏结剂）、锂片、N-甲基-2-吡咯烷酮、氩气、氧气、CR2025型电池壳。

三、实验内容

1．阴极材料的制备

阴极材料制备过程如图9.24所示。

(1）搅拌

称取0.0240g BP2000碳粉（按碳纸每平方厘米增重2 mg算）,0.0400g黏结剂PVDF（质量比10:1)，滴加15滴溶剂NMP，置于多头磁力搅拌器上搅拌24 h。

(2）涂板

取2 cm x 6 cm的碳纸，放在玻璃板上，两端用透明胶固定，将和好的膏体用壁纸刀均匀涂抹在碳纸上。

(3）干燥

将涂好的板置于真空干燥箱中120℃烘10 h。

(4）切片

将干燥好的板取下，用切片机切成直径为14 mm的阴极片，称重，计算增重，置于手套箱中备用。

2。电极材料的分析表征

（1)X射线衍射（X一ray diffraction,XRD．）分析

X射线衍射（XRD）是一种重要的固体物相分析手段，一般只对晶体材料具有分析作用。

通过分析晶体的衍射图谱，可以获得晶体材料的成分、晶体结构和晶胞参数等信息。材料的XRD测试用日本理学株式会的D/max - rB旋转阳极X射线衍射仪，阳极Cu靶，单色器石墨，λ为1.5418，电压45 kV，电流40 mA，狭缝DS: 10,SS:10, RS:0.15 mm，步长0.020，步进时间0.24s。（若阴极材料中含有其他晶体物质可选用此种方法）

(2）扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）表征

扫描电子显微镜主要用于分析材料的微观结构、表面形貌和化学成分等信息，是一种常用的物理分析手段。材料的SEM测试采用日本日立公司的S-4800扫描电子显微镜，加速电压0.530 kV，放大倍率30800000，主要对材料的表面形貌和颗粒尺寸进行了分析。

3.锂空气电池的组装

锂／空气电池的组装过程在充满氩气的干燥手套箱中完成。采用CR2025型号纽扣电池壳，在阴极壳上配有若干氧气输运孔（如图2.4)。以Celagard 2400 PVDF薄膜为隔膜、以泡沫镍为集流器、以1mol·^-1的LiPF ₆/EC - DMC - EMC体积比为1:1:1)溶液和离子液体（1-丁基-3-甲基-咪唑六氟磷酸锂）为电解液，在两种体系中测试催化剂的性能。

组装过程为：先在阳极壳内放入泡沫镍集流器，再放入锂片、电极隔膜，滴数滴电解液（将隔膜浸湿即可），将阴极片上有活性物质的一面朝向电解液放置，最后盖上阴极外壳，在封口机上封口，即完成组装过程。

4．电池电化学性能测试

(1)恒流充放电测试

材料的恒流充放电测试采用高精度电池性能侧试系统，测试电池以恒流充放电的方式循环，充电截止电压4.5 V，放电截止电压2.0 V，放电过程中要不断通入氧气，以保证反应物的供应充足，主要研究了催化剂对锂／空气电池放电容量和循环性能的影响，放电曲线如图9.25所示。

(2）循环伏安测试

电池的循环伏安测试采用电化学工作站，以金属锂片为参比电极和对电极，制备的阴极材料为研究电极，扫描速度为0.2 mV/s，研究材料的电极反应电位、电极反应的可逆性以及材料的电化学活性，如图9.26所示为锂空气电池的循环伏安曲线。

(3)交流阻抗测试

采用电化学工作站对阴极材料进行交流阻抗测试，以金属锉片为参比电极和对电极，制备的阴极材料为研究电极，扫描范围为100 kHz一0.01 Hz，交流振幅5 mV，研究了电极反应过程的反应阻抗大小，采用的等效电路是修正的Randles，如

9.27所示。图中凡是溶液电阻，R_vt

是异相电荷转移电阻，Cdl是双电层电容，Zw是锉离子在电极材料中的扩散阻抗，又称Wargurg阻抗，Cint是锂离子在电极材料的脱嵌电容（锂离子在材料中的累积和消耗）。图9.28给出的是一个锂空气电池交流阻抗图例。

5．注意事项

(1)结剂不导电，要控制加入量。

(2)溶剂既不能太多，也不能太少，膏体过稀过稠，均会造成涂板时不方便。

(3）用壁纸刀涂板时，注意控制力度，避免划破碳纸。

(4)称重时应敏捷、迅速，以免阴极片中吸收空气中的水分。

(5)由于有机电解液具有强烈的腐蚀性，因此在手套箱中操作时要注意保护手套。

(6)电池是开放体系，所以封口过程中要注意防护口鼻，避免吸入电解液挥发物。

(7)切片时计算增重（涂敷的阴极材料的重量），要事先切若干碳纸圆片，计算其平均净质量，再相减（每片阴极重减去碳纸重）即可计算增重。