發(fā)布時(shí)間：2020-03-25 22:40

【摘要】：近些年來(lái),隨著電動(dòng)車(chē)、人工智能、電子設(shè)備的高速發(fā)展。對(duì)電池能源的需求愈發(fā)強(qiáng)烈,作為新一代電池中能量密度最高的鋰氧電池也引起了研究人員的注意。然而目前鋰氧電池中最優(yōu)秀的催化劑貴金屬材料的豐度不足、成本高昂,很難投入實(shí)際使用。而ZIF-67(沸石咪唑骨架材料)及其衍生物已被廣泛應(yīng)用于燃料電池、鋰離子電池、鈉離子電池等能源領(lǐng)域。ZIF-67易制備、易處理,并且擁有鋰氧電池所需要的多介孔結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)處理后也表現(xiàn)出優(yōu)秀的OER催化性能,是作為鋰氧電池正極催化劑的理想材料。在本文中首先使用原位生長(zhǎng)的方式將ZIF-67負(fù)載在GO上,并經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的熱處理以探究催化劑的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)鋰氧電池正極催化機(jī)理的影響。此外。通過(guò)硫化ZIF-67與CNTs的復(fù)合材料,嘗試首次將鈷的硫化物使用在鋰氧電池當(dāng)中,獲得了高比容量、高循環(huán)性能的新型催化劑。具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)通過(guò)簡(jiǎn)單碳化用靜電吸附法合成的氧化石墨烯(GO)負(fù)載ZIF-67納米晶體來(lái)制備Co-N-rGO材料作為鋰氧電池的催化劑材料,以改善氧電極的電導(dǎo)率和催化活性。發(fā)現(xiàn)了延長(zhǎng)碳化時(shí)間可以使得ZIF-67碳骨架坍塌至rGO的平面。電化學(xué)測(cè)試表明其具有優(yōu)秀的ORR與OER催化活性,放電平臺(tái)在2.75 V左右,充電平臺(tái)在4.2 V左右。并研究了碳化時(shí)間如何影響催化劑的形態(tài),這進(jìn)一步影響了放電產(chǎn)物的沉積和形態(tài),隨著碳化時(shí)間的增強(qiáng)活性位點(diǎn)逐漸增多,其催化機(jī)理也從表面介導(dǎo)轉(zhuǎn)變成溶液介導(dǎo),實(shí)現(xiàn)了對(duì)放電產(chǎn)物生成機(jī)理的有效控制。通過(guò)改變催化劑的形態(tài),為鋰氧電池提供更高的容量和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命,在碳化時(shí)間達(dá)到7 h后首圈比容量達(dá)到3304 mAh g~(-1),500 mAh cm~(-2)定容量循環(huán)中壽命達(dá)到34圈。(2)嘗試將硫化鈷引入到鋰氧電池當(dāng)中,通過(guò)將ZIF-67生長(zhǎng)在CNTs骨架上,并在Ar下高溫硫化,得到了CoS_2/CNTs復(fù)合材料。獲得了一種優(yōu)秀的催化劑,在首圈充放電過(guò)程中達(dá)到2569 mAh g~(-1)的比容量,其ORR性能良好,放電平臺(tái)在2.7 V左右。同時(shí)具有優(yōu)秀的OER催化活性,充電平臺(tái)在4.1 V左右。該催化劑在充電過(guò)程中可以有效分解放電產(chǎn)物L(fēng)i_2O_2,并可以分解副產(chǎn)物乙酸鋰與甲酸鋰等副產(chǎn)物,并在500 mAh cm~(-2)的定容量測(cè)試中循環(huán)52圈,表現(xiàn)出優(yōu)秀的循環(huán)性能與抗鈍化能力。
【圖文】：

量?jī)?chǔ)存已成為二十一世紀(jì)社會(huì)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。隨著世界人口的增加以及世界工業(yè)化程度越來(lái)越高，對(duì)能源的需求會(huì)不可避免地增加。同時(shí)，核能和可再生燃料也開(kāi)始作為發(fā)電來(lái)源加入煤炭、石油和天然氣等傳統(tǒng)能源的行列。隨著能源需求的尋新的可再生能源、減少二氧化碳排放并消除其對(duì)氣候變化影響勢(shì)在必行�？稍偕四�、風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等使用量的增加改變了目前能源產(chǎn)業(yè)的構(gòu)成。而電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出穩(wěn)定的儲(chǔ)能器件在新能源時(shí)代將扮演更加重要的角色。為響應(yīng)“十三略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中對(duì)新能源汽車(chē)，以及電池行業(yè)的要求，研發(fā)高比容量、高的新型電池已迫在眉睫。今為止，研究人員開(kāi)發(fā)出大量的儲(chǔ)能器件，如鋰離子電池、超級(jí)電容器、燃料電池等 列舉了一系列已用或正在開(kāi)發(fā)的電池技術(shù)，并將它們各自的能量密度與汽油進(jìn)行比中，鋰離子電池具有能量密度大、工作電壓高、工作溫度范圍寬、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安等優(yōu)點(diǎn)，，自 1991 年首次推出以來(lái)便廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子設(shè)備，引領(lǐng)了近三十產(chǎn)品革命的新浪潮[7]。

士研究生學(xué)位論文 第，負(fù)載鋰離子電池的電動(dòng)汽車(chē)的最大續(xù)航里程為 300 km h-1[9]，難以滿足遠(yuǎn)，所以尋找更優(yōu)的能源系統(tǒng)勢(shì)在必行。鋰硫電池與金屬-空氣電池（例如和鋅空氣電池等）是目前最有研發(fā)前景的兩個(gè)選擇,尤其是后者直接采用電化學(xué)反應(yīng)物，正極僅作為電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，因此具有較高的能量密度[10]。其中，鋰作為最輕的金屬元素，組成的鋰氧電池，其理論比能量密度g-1，可與汽油相媲美。1996 年，Abraham 首次采用 PAN 基聚合物電解質(zhì)催化劑，得到的鋰氧電池開(kāi)路電壓為 3 V，首圈放電比容量為，放電平臺(tái) V 至此，鋰氧電池的研究熱度一直居高不下[11]。2012 年 IBM 宣布將與日子 2 家公司展開(kāi)合作，開(kāi)發(fā)鋰氧電池，并力爭(zhēng)最快在 2025 年前實(shí)現(xiàn)充電 以上的電池的實(shí)用化[12]。
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O643.36;TM911.41

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本文編號(hào)：2600548