Effect of Carbon Surface Area on First Discharge Capacity of Li-O2Cathodes and Cycle-Life Behavior in Ether-Based Electrolytes

电解质 阴极 化学工程 多孔性 化学 碳纤维 乙醚 电极 无机化学 材料科学 有机化学 复合材料 复合数 工程类 物理化学
作者
Stefania Meini,Michele Piana,Hans Beyer,Jan Nicolas Schwämmlein,Hubert A. Gasteiger
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:159 (12): A2135-A2142 被引量:120
标识
DOI:10.1149/2.011301jes
摘要

In this study we report on the direct proportionality between cathode surface area and first discharge capacity of non-aqueous Li-O2 cells using ether-based electrolytes. Seven different highly structured carbon blacks, characterized by different surface areas and porosities, were used to prepare non-catalyzed cathodes. Surface measurements and porosity analyzes were carried out on both raw materials and electrodes in order to estimate the fraction of cathode surface accessible by the electrolyte. The first specific discharge capacity of different cathodes was then normalized over its specific surface and a strong correlation between the two quantities was found. This result strongly supports a discharge mechanism for Li-O2 batteries wherein the main factor limiting the capacity is the formation of a passivating layer of products on the surface of the cathode material, impeding ORR at carbon active sites. Also the cyclability of the cells was considered, demonstrating the effect of electrolyte degradation on the increased capacity upon cycling of ethereal electrolytes (e.g. DEGDME). The first discharge specific capacity and cyclability using TEGDME, commonly used in Li-air research, was found similar to reacting or degraded electrolytes, suggesting a much higher reactivity toward superoxide ion radical in comparison to its lighter homologues DEGDME and DME.
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