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锂空气电池因其超高理论能量密度(11,400 Wh kg-1)受到人们的广泛关注。目前锂空气电池的研究工作主要围绕着电解液开发和使用、正极材料的合成和电极反应的催化剂的制备这几个方面来进行,其中正极材料和电催化剂对电池的性能的影响较大,因此开发使用具有良好的导电性(有利于电子传输)、大的比表面积(有利于放电产物的容留)、合适的孔结构(有利于电解液的扩散)以及良好的稳定性(有利于电池的循环使用)的正极材料,和稳定、高效电催化剂尤为重要。最近,我们课题组发展出具有比表面积大、导电性高、浸润性好、微孔-介孔-大孔相互连通的开放性孔结构等特点的三维多孔寡层石墨烯(3DG)材料,符合上述正极材料要求。以3DG为正极材料,锂空气电池展现出超高的完全放电容量,但其循环稳定性能和倍率性能较差。通过将Fe203与之复合,以及在电解液中添加高效的可溶性氧化-还原介质作为电催化剂,得到性能优异的锂空气电池。本文围绕Fe203/3DG负载催化剂和可溶性氧化-还原介质Fe(acac)2对锂空气电池性能的影响展开研究工作,取得以下研究进展。1.改变退火后处理的气流氛围制备得到不同C/O原子比的3DG材料,对比其电池性能后发现,含氧量高的3DG具有更高的放电容量和循环稳定性,而含氧量过低的3DG则难以放电,据此推测表面的含氧官能团是放电产物Li2O2的成核中心,最终得到具有较高氧含量的3DG正极材料,展现出远优于XC-72的完全放电性能(23000 mAh g-1)和循环稳定性能(69圈)。2.以浸渍法合成了 Fe203/3DG,利用3DG高导电性、高比表面积的优点,充分发挥Fe203纳米颗粒的催化性能,在0.5Ag-1的电流密度下,电池的过电势降低0.5 V,电池稳定循环95圈,这一优异性能可归因于:(1)3DG的优良导电性有利于传输电子;(2)高的比表面积有利于放电产物的容留;(3)Fe203纳米粒子增加了 ORR和OER过程的催化活性。3.以3DG为锂空气电池的正极,在锂空气电池电解液中加入可溶的Fe(acac)2氧化-还原介质,放电时充当含氧物种和电子传输的介质,与含氧物种作用并在溶液相中生成Li2O2,再沉积在3DG表面,可获得分布均一、颗粒较小的Li2O2放电产物。充电时,Fe(acac)2与产物Li2O2充分接触,有效的催化分解Li2O2产物。以外,Fe(acac)2分子是没有大的π共轭环的非平面分子,与sp2碳的π-π作用不如有大π共轭的平面分子FePc,与碳材料的作用力较为适当。添加Fe(caac)2后,电池的完全放电容量一定程度的提升,达到24,800mAh g-1,处于锂空气电池领域的顶尖水平。在高倍率充放电情况下,Fe(acac)2可以快速地吸/脱附,高效地催化ORR和OER过程,有效地降低电池充/放电过电势,提高电池循环稳定性;如在0.5、1.0和2.0 A g-1电流密度下,Fe(acac)2能将电池的循环稳定性从30圈提升至193、130、122圈,远优于FePc,达到锂空气电池的领先水平。这为发展低电池充/放电过电势、高倍率性能和高循环稳定性的锂空气电池提供策略:(1)发展具有ORR/OER双功能催化能力、高比表面积、分级孔结构、大孔容和高导电性的电极催化剂;(2)使用兼具ORR/OER双功能催化能力和运氧功能、与电极材料作用力适度、在电解液中游离浓度(剩余浓度)高的可溶性氧化-还原介质。