本文關鍵詞：有利于多相界面反應的鋰空氣電池正極骨架設計與構(gòu)筑

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【摘要】：隨著環(huán)境污染、全球變暖以及化石燃料短缺等問題日益嚴峻,儲能技術(shù)受到前所未有的關注。目前鋰離子電池被廣泛應用于便攜電子設備和電動汽車領域,但是由于其能量密度較低,限制了其大規(guī)模商業(yè)化應用。鋰空氣電池具有更高的能量密度,被視為可滿足現(xiàn)代社會能源需求的新一代電池體系。其工作的關鍵在于正極的多相界面反應能否順利進行。充放電過程中,隨著放電產(chǎn)物將正極的孔隙填滿,電池性能逐漸衰減,最終失效。因此,對正極骨架的設計與構(gòu)筑至關重要。本論文中,我們系統(tǒng)研究了聚吡咯、聚吡咯衍生多孔碳及金屬有機骨架衍生物Zn O/ZnFe2O4/C納米籠作為鋰空氣電池正極骨架的電化學表現(xiàn)。首先,采用化學氧化聚合法制備得到聚吡咯。其獨特的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為氧氣、電子和離子提供了快速擴散的通道;聚吡絡的高極性及高親水性,導致其與有機電解液之間形成大的固液界面接觸角,從而增加了多相反應界面與氣體傳輸通道;應用在鋰空氣電池中,以100 mA g-1的電流密度進行充放電測試,首圈放電容量為7825 mAh g-1,限容1000mAh g-1循環(huán)時,能可逆循環(huán)55圈。采用上述聚吡咯材料為碳源,KOH為活化劑,經(jīng)過活化-碳化之后,制備了N摻雜的多孔碳納米網(wǎng)絡。研究結(jié)果表明:通過控制合成條件,網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以很好的保持,部分吡咯態(tài)N轉(zhuǎn)變?yōu)檫拎B(tài)N,形成了N摻雜的多孔碳納米網(wǎng)絡,由于N元素對ORR過程的促進作用,降低了過電位;同時,雜原子的存在可提高碳的導電性,進而改善其電化學性能;經(jīng)過活化過程,該材料的導電性能和活性表面均得到改善,作為鋰空氣電池正極材料,可以提供更多的活性位點;因此得到了更好的電化學性能,具體而言,首圈放電容量增至9966 mAh g-1,且充放電過電位有所降低,在更高電流密度下能可逆循環(huán)65圈。目前對鋰空氣電池正極材料的研究主要集中在開發(fā)高活性的ORR/OER催化劑。然而,大部分催化劑也會加劇副反應的發(fā)生。針對這一問題,我們轉(zhuǎn)變策略,致力于尋找一種與電解液兼容的穩(wěn)定的正極骨架。采用具有空心八面體結(jié)構(gòu)的金屬有機骨架作為自犧牲模板,經(jīng)過在氮氣氣氛下進行熱處理,合成了具有分級介孔ZnO/ZnFe2O4/C納米籠。研究結(jié)果表明:通過對熱處理溫度的優(yōu)化,我們發(fā)現(xiàn)在500℃下得到的樣品能夠同時獲得較高的電導率、足夠的孔隙率及合適的孔隙大小,從而保證了氧氣的傳輸和放電產(chǎn)物的沉積;雖然相對于傳統(tǒng)的催化劑而言,ZnO/ZnFe2O4/C納米籠的催化活性不是很強,但NMR和LSV測試顯示,它在TEGDME基電解液中,電化學穩(wěn)定性出眾;作為鋰空氣電池的正極材料,該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能,具體而言,在300 mA g-1的電流密度下,首圈充放電容量高達11 000 mAh g-1,當限容于5000 mAh g-1循環(huán)時,能可逆循環(huán)10圈,不僅如此,當應用“深度放電+限容循環(huán)”模式時,限容5000 mAh g-1能可逆循環(huán)15圈。此工作為實現(xiàn)鋰空氣電池在較高放電深度下良好循環(huán)提供了參考,證明除了高的催化活性,良好的電化學穩(wěn)定性對于正極骨架也極為關鍵。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM911.41

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本文編號：1168579