發(fā)布時(shí)間：2020-03-28 18:24

【摘要】：鋰離子電池(LIB)是目前使用最廣泛的儲(chǔ)能系統(tǒng),但是它實(shí)際所能達(dá)到的能量密度通常都限制在250 Wh·kg~(-1)以下,它不能滿(mǎn)足耗電量日益增加的各種電子設(shè)備的需求,也遠(yuǎn)低于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池對(duì)高比能量的要求。因此,開(kāi)發(fā)新型高比能量、可循環(huán)使用的清潔儲(chǔ)能體系迫在眉睫�？沙滗嚳针姵�(Lithium-air battery)擁有超高理論能量密度(2-3 kWh·kg~(-1)),該數(shù)值是鋰離子電池的5-10倍,可與汽油相媲美,并被認(rèn)為是最有希望在電動(dòng)汽車(chē)中應(yīng)用的能源體系,因此它受到廣泛關(guān)注。然而,鋰空電池距商業(yè)化應(yīng)用仍有很大距離,存在很多問(wèn)題亟待解決,如:充放電過(guò)電勢(shì)較高、循環(huán)效率較低、循環(huán)壽命較短等。以上所有問(wèn)題主要是由于陰極氧還原反應(yīng)(ORR)與氧析出反應(yīng)(OER)過(guò)程緩慢、循環(huán)穩(wěn)定性較差導(dǎo)致的,所以,開(kāi)發(fā)出兼具ORR和OER雙效催化活性的陰極催化劑是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵所在。TiC作為過(guò)渡金屬化合物,具有導(dǎo)電性高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),更重要的是它擁有可與貴金屬相媲美的OER催化性能,因此在各類(lèi)電催化環(huán)境中得到普遍研究。另外,Ti C價(jià)格低廉、制備簡(jiǎn)單。同時(shí),碳材料由于低成本、低密度、良好的導(dǎo)電性而被作為鋰空電池陰極材料廣泛研究。綜合考慮以上因素,本文采用直流電弧等離子體法(Direct current arc-discharge plasma method),以甲烷作為反應(yīng)氣體,合成核殼型結(jié)構(gòu)的TiC@C納米顆粒。X射線衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)等表征結(jié)果顯示TiC@C納米顆粒是以TiC為核心、石墨層為外殼的核殼型結(jié)構(gòu),其表面包覆的石墨層存在大量缺陷。X射線光電子能譜(XPS)結(jié)果表明TiC@C納米粒子表面存在Ti、C、O三種元素,其中O元素的存在是由于制備過(guò)程中少量空氣的鈍化引起的,鈍化的目的是穩(wěn)定活性較高的納米粒子,使其能在空氣中穩(wěn)定存在。線性伏安測(cè)試(LSV)表明TiC@C納米催化劑在堿性(0.1 M KOH)環(huán)境中的ORR過(guò)程是以二電子反應(yīng)進(jìn)行的,并且核殼型TiC@C納米粒子的OER催化活性明顯優(yōu)于立方體TiC納米粒子和商業(yè)鉑炭(20 wt%)。鋰空電池電化學(xué)表征的結(jié)果說(shuō)明,TiC@C是一種兼具ORR與OER雙功能催化活性的催化劑,在電流密度100 mA·g_(SP)~(-1)下,TiC@C電極的放電平臺(tái)約比TiC電極和SP電極高110 mV,且TiC@C電極取得了1860 mAh·g~(-1)放電比容量,明顯高出TiC電極(964 mAh·g~(-1))和SP電極(1011 mAh·g~(-1));充電時(shí),TiC@C電極的充電平臺(tái)比TiC電極降低90 mV左右,且比SP電極降低340 mV左右。TiC@C納米粒子應(yīng)用于鋰空電池,可明顯改善其放電比容量和循環(huán)穩(wěn)定性:取電流密度為50、100、150 mA·g_(SP)~(-1),TiC@C陰極的放電比容量均高于TiC陰極;在恒流限容條件下對(duì)電極進(jìn)行充放電測(cè)試(500 mAh·g~(-1),100 mA·g_(SP)~(-1)),TiC@C電極的循環(huán)壽命是TiC電極的2倍。通過(guò)XRD、紅外、掃描電鏡表征可知,在TiC@C納米顆粒的雙效催化作用下,Li_2O_2的生成與分解具有良好的可逆性,有效避免了大量反應(yīng)副產(chǎn)物積累的問(wèn)題,進(jìn)而有效改善了鋰空電池的綜合性能。同時(shí)也發(fā)現(xiàn),鋰空電池在多次循環(huán)后性能的衰減與正極材料的鈍化和電解液的分解有很大關(guān)系。本文的工作表明,充分利用碳材料和催化劑的雙重優(yōu)勢(shì)是優(yōu)化鋰空電池的有效策略,并且可以將這一方法擴(kuò)展到金屬-空氣電池和其它能源體系中先進(jìn)催化劑的設(shè)計(jì)。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.1;TM912

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2604745