發(fā)布時間：2017-09-16 15:09

  本文關(guān)鍵詞：鋰空氣電池新型碳基材料的制備及其性能研究

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【摘要】：近些年,鋰空氣電池由于具有超高的理論比能量引起了人們極大的關(guān)注。正極中通常使用的商業(yè)碳材料由于催化活性低、孔尺寸和孔體積較小導致電池極化大和放電比容量低。雖然功能碳材料作正極材料能獲得很高的放電比容量,但是高昂的造價一直阻礙著鋰空氣電池商業(yè)化的進程。本文制備出了一種廉價可用于鋰空氣電池的高性能新型碳基材料。首先,通過碳化植酸摻雜的聚苯胺氣凝膠制備出一系列形貌不同的新型碳基納米材料,并通過對比其電化學性能篩選出最適合用于鋰空氣電池的新型碳基材料。研究結(jié)果表明,以最佳性能的納米碳材料為正極材料的鋰空氣電池,在100 m A/g的電流密度下首次放電比容量高達12607.1 m Ah/g、放電平臺在2.70V,在100 m A/g的電流密度下限容500 m Ah/g能夠循環(huán)26次,具有較好的倍率性能,電流密度到500 m A/g時放電比容量依然高達6930.1 m Ah/g。這一系列新型碳納米材料均是摻雜有氮和磷的碳材料。雜原子氮和磷并不是由外部引入,而是前驅(qū)物中本身所含的氮和磷在碳化時留在碳材料內(nèi)部形成了摻雜態(tài)的碳材料。研究表明,納米碳材料中摻雜氮能極大的提高納米碳材料的氧還原反應(ORR)催化活性,并且摻雜量越高,ORR催化活性越強。磷對納米碳材料的ORR的催化活性的提升不如氮。同時還考察了納米碳材料的微觀結(jié)構(gòu)對放電性能的影響。研究表明,電池的放電比容量與納米碳材料中尺寸在10 nm以上孔的體積的成正比。碳納米纖維是上述篩選所得性能最佳碳基材料。本文又選用碳納米纖維做空氣電極,進一步研究了其充放電機制。研究發(fā)現(xiàn),碳納米纖維擁有鋸齒狀的表面,并且能夠構(gòu)筑多級孔道結(jié)構(gòu),這樣的構(gòu)造可以提供更多的催化活性位點和通暢的氧氣傳輸通道。吡啶型氮和吡咯型氮出現(xiàn)在碳納米纖維中大大提升了碳材料的ORR催化活性。通過與商業(yè)碳材料Super P電化學性能對比發(fā)現(xiàn),碳納米纖維的電化學性能遠超商業(yè)碳材料Super P,放電比容量達到石墨烯的水平。研究還發(fā)現(xiàn),用碳納米纖維作正極材料的鋰空氣電池的放電和充電過程主要是Li2O2的可逆生成和分解過程,但在充放電過程中會有少量Li2CO3生成和分解。在放電后的電極中能清晰的看到圓餅狀的Li2O2,充電后Li2O2消失同時有沒分解的Li2CO3遺留在多孔電極表面。Li2CO3堵塞孔洞是導致電池循環(huán)性能比較差的主要原因,Li2CO3不導電也造成了循環(huán)后阻抗的增加。同時還考察了鋰鹽對碳納米纖維電化學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),電解液中鋰鹽由原來的Li PF6替換成Li TFSI以后,電池中電解液的阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗均減小進而提升了碳納米纖維的氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)催化活性,減少了充放電過電位,倍率性能和循環(huán)性能也隨之提高。本文還對碳納米纖維進行經(jīng)濟分析。通過分析發(fā)現(xiàn)碳納米纖維價格低廉,在鋰空氣電池中有很好的應用前景。
【關(guān)鍵詞】：鋰空氣電池 碳基材料 摻雜 聚苯胺 碳化
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.41
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-25
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義11-12
• 1.2 鋰空氣電池的分類及反應機理12-14
• 1.3 鋰空氣電池碳基材料的研究現(xiàn)狀及分析14-24
• 1.3.1 純碳材料14-18
• 1.3.2 氮摻雜碳材料18
• 1.3.3 ORR/OER雙效催化劑與碳材料復合材料18-24
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容24-25
• 第2章 實驗材料及研究方法25-31
• 2.1 實驗藥品和儀器25-27
• 2.1.1 實驗藥品25-26
• 2.1.2 實驗儀器26-27
• 2.2 碳材料物理性能表征方法27-28
• 2.2.1 場發(fā)射掃描電子顯微鏡測試（微觀形貌測試）27
• 2.2.2 透射電子顯微鏡測試27
• 2.2.3 X射線能譜測試27
• 2.2.4 拉曼光譜測試27-28
• 2.2.5 氮氣吸脫附測試（比表面積和孔徑分布測試）28
• 2.2.6 X射線光電子能譜測試28
• 2.2.7 紅外吸收光譜測試28
• 2.2.8 X射線衍射測試28
• 2.3 空氣電極的制備28-29
• 2.3.1 空氣電極的制備28-29
• 2.3.2 充放產(chǎn)物測試電極的制備29
• 2.4 電化學性能表征方法29
• 2.4.1 恒流充放電測試29
• 2.4.2 循環(huán)伏安測試29
• 2.4.3 交流阻抗測試29
• 2.5 空氣電極的制備和電池組裝測試29-31
• 2.5.1 電池的組裝29-30
• 2.5.2 電池的測試30-31
• 第3章 新型碳基材料的制備與篩選31-49
• 3.1 引言31
• 3.2 新型納米碳材料的制備及反應原理31-34
• 3.3 納米碳材料的SEM表征34-35
• 3.4 納米碳材料的電化學表征35-39
• 3.4.1 電池充放電性能測試35-37
• 3.4.2 電池倍率性能測試37-38
• 3.4.3 電池循環(huán)性能測試38-39
• 3.5 氮磷的摻雜量對納米碳材料催化性能的影響39-44
• 3.5.1 納米碳材料的EDX表征39-42
• 3.5.2 氮磷的摻雜量與納米碳材料催化性能的關(guān)系42-44
• 3.6 納米碳材料的微觀結(jié)構(gòu)對空氣電極放電性能的影響44-48
• 3.6.1 納米碳材料的氮氣吸附-脫附表征44-46
• 3.6.2 不同碳材料首次放電性能測試46-47
• 3.6.3 碳材料的比表面積和孔體積與放電比容量的關(guān)系47-48
• 3.7 本章小結(jié)48-49
• 第4章 碳納米纖維作為鋰空氣電池正極材料的研究49-65
• 4.1 引言49
• 4.2 碳納米纖維的制備49-50
• 4.3 碳納米纖維材料的物理表征50-54
• 4.3.1 碳納米纖維的SEM表征50-51
• 4.3.2 碳納米纖維的TEM表征51
• 4.3.3 碳納米纖維的XPS表征51-52
• 4.3.4 碳納米纖維的氮氣吸附-脫附表征52-53
• 4.3.5 碳納米纖維的拉曼表征53-54
• 4.4 碳納米纖維的電化學性能54-56
• 4.4.1 電池充放電性能測試54-55
• 4.4.2 電池倍率性能測試55-56
• 4.4.3 碳納米纖維的CV測試56
• 4.5 碳納米纖維空氣電極充放電前后的表征56-60
• 4.5.1 碳納米纖維空氣電極充放電前后XRD表征56-57
• 4.5.2 碳納米纖維空氣電極充放電前后SEM表征57-58
• 4.5.3 碳納米纖維空氣電極充放電前后FT-IR表征58-59
• 4.5.4 碳納米纖維空氣電極充放電前后EIS表征59-60
• 4.6 鋰鹽對碳納米纖維電化學性能的影響60-63
• 4.6.1 鋰鹽對鋰空氣電池EIS的影響60-61
• 4.6.2 鋰鹽對碳納米纖維催化性能的影響61
• 4.6.3 鋰鹽對碳納米纖維充放電性能的影響61-63
• 4.7 本章小結(jié)63-65
• 第5章 市場經(jīng)濟分析65-70
• 5.1 引言65
• 5.2 鋰空氣電池產(chǎn)業(yè)化前景和展望65-68
• 5.3 鋰空氣電池經(jīng)濟性分析68-69
• 5.3.2 碳納米纖維合成成本分析68
• 5.3.3 扣式電池組裝成本分析68-69
• 5.4 本章小結(jié)69-70
• 結(jié)論70-72
• 參考文獻72-84
• 致謝84

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