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摘 要

本课题使用18-冠醚-6络合KO₂的方法生成超氧阴离子，采用紫外可见光谱检测锂空气电池电解液中超氧阴离子的残余量，进而研究锂-空气电池不同锂盐浓度与不同溶剂体系对LiO₂歧化速率的影响。

我们采用了循环伏安法检测超氧阴离子的浓度，计算了KO₂溶液的衰减速率，分析了18-冠醚-6对于超氧阴离子溶解度的影响，测得了不同锂盐浓度下，二甲基亚砜与乙二醇二甲醚溶剂内LiO₂的岐化反应速率。

最终可得，加入18-冠醚-6后，二甲基亚砜溶剂内KO₂的溶解度即超氧阴离子的浓度为1.17mmol/L；乙二醇二甲醚溶剂内KO₂的溶解度即超氧阴离子的浓度为13.2mmol/L。不管是在何种溶剂内，18-冠醚-6均能显著提高超氧阴离子的浓度，且对于乙二醇二甲醚溶剂体系尤为明显。超氧阴离子的自分解是一个二级反应，在二甲基亚砜溶剂内自分解反应速率常数为0.00149L/mmol·min，在乙二醇二甲醚溶剂内自分解反应速率常数为0.000532L/mmol·min。

此岐化反应是一个一级反应，至于岐化反应速率，乙二醇二甲醚溶剂内的岐化反应速率是高于二甲基亚砜的，并且随着锂盐的浓度升高，岐化反应速率将增大。

关键词：超氧阴离子 锂空气电池 歧化反应 动力学

Study on the kinetics of superoxide dismutation in

lithium-air battery

Abstract

In this paper, 18-crown-6 and KO₂ was used to generate superoxide anion, and the residual amount of superoxide anion in the electrolyte of lithium air battery was detected by UV-Vis. The influence of different concentration of lithium salt and different solvent system on the disproportionation rate of LiO₂ was studied.

We detect the concentration of superoxide anion with CV, calculated the decay rate of KO₂ solution, analyzed the influence of 18-crown-6 on the solubility of superoxide anion, and measured the reaction rate of LiO₂ in the solvent of DMSO and DME under different concentrations of lithium salt.

Conclusion is when 18-crown -6 was added, the solubility of KO₂ in DMSO solvent was 1.17mmol/l and the solubility of KO₂ in DME solvent was 13.2mmol/l. No matter in which solvent, 18-crown-6 can significantly increase the concentration of superoxide anion, especially in DME solvent system. The autolysis of superoxide anion is a secondary reaction. The rate constant of autolysis is 0.00149l/mmol·min in DMSO solvent and 0.000532l/mmol·min in glycol dimethyl ether solvent.

The disproportionation reaction is a first-order reaction. As for the disproportionation reaction rate, the disproportionation reaction rate in glycol dimethyl ether solvent is higher than that in dimethyl sulfoxide, and with the increase of lithium concentration, the disproportionation reaction rate will increase.

Key Words:Superoxide anion；Lithium air battery；Disproportionation reaction；Dynamics

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 前言 1

1.1 引言 1

1.2锂空气电池反应机理 2

1.2.1锂空气电池原理 2

1.2.2中间产物超氧化物的岐化机理 3

1.2.3锂空气电池的电解液 4

1.3超氧化物的检测技术 4

1.3.1超氧阴离子的生成 4

1.3.3氯化硝基四氮唑蓝(NBT)显色剂 6

1.3.4紫外-可见光谱检测 6

1.4 本课题的研究内容和意义 6

第二章 实验部分 7

2.1实验试剂 7

2.2实验仪器 7

2.3实验步骤 8

2.3.1砜类（DMSO）电解液体系 8

2.3.2醚类（DME）电解液体系 10

2.3.3酰胺类（DMAC）超氧阴离子浓度测试 11

第三章 结果与讨论 13

3.1超氧阴离子在不同溶剂内的浓度分析 13

3.1.1循环伏安法检测浓度 13

3.1.2紫外可见光谱法检测浓度 14

3.1.3 18-冠醚-6对超氧阴离子浓度的影响 16

3.2超氧阴离子在不同溶剂内的自分解速率 18

3.2.1二甲基亚砜溶剂内的自分解 18

3.2.2乙二醇二甲醚溶剂内的自分解 21

3.3超氧阴离子在不同浓度LiTFSI下的歧化反应速率 23

3.3.1二甲基亚砜溶剂内的歧化反应速率 23

3.3.2乙二醇二甲醚溶剂内的歧化反应速率 24

第四章 结论与展望 26

4.1结论 26

4.2展望 27

参考文献 28

致谢 31

前言

1.1 引言

20世纪以来，随着人口的增长，地球有限的资源难以维持人类文明的发展需要，人们不得不着眼于提高资源的有效利用率。同时二次工业革命以来，地球环境日益恶化，如1952年伦敦烟雾事件、1953年日本水俣病事件、中国2007年太湖蓝藻危机等，严重威胁到了人类的健康问题与经济社会的可持续发展。特别是能源方面的问题，化石燃料的大量燃烧带来了一系列环境问题。人类需要寻找可替代能源与清洁能源来代替传统化石能源^[1]。这些清洁能源产生的电能需要储能设备——电池^[2]。

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