【摘要】：鋰-空氣電池作為一種新型的電化學(xué)能源儲(chǔ)存裝置,理論上具有超高能量密度(11400 Wh Kg-1),接近于汽油等化石能源的能量密度(13000 Wh Kg-1),近年來(lái)已受到了人們的廣泛關(guān)注。目前,有機(jī)電解質(zhì)體系的鋰-空氣電池發(fā)展非常迅速,是人們研究與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn),且已經(jīng)取得了良好的研究成果;然而實(shí)用化之前,在鋰-空氣電池中需要解決以下幾大難題:首先需要開(kāi)發(fā)出優(yōu)異的陰極催化劑以實(shí)現(xiàn)氧氣在鋰-空氣電池中可逆還原(ORR)和析出(OER);其次需要解決好金屬鋰負(fù)極的不穩(wěn)定性問(wèn)題,以及充放電過(guò)程中鋰枝晶生成問(wèn)題;最后需要開(kāi)發(fā)出電化學(xué)性能穩(wěn)定的鋰-空氣電池電解液以提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性能和使用壽命。本論文針對(duì)目前鋰-空氣電池陰極催化劑中存在的問(wèn)題,進(jìn)行了初步研究與探索。具體工作內(nèi)容由以下幾個(gè)部分組成:1)α-Mn O2及其復(fù)合物α-Mn O2/Ni O陰極催化劑制備及其電化學(xué)特性研究。采用液相法合成了海膽球形α-Mn O2材料及其復(fù)合物α-Mn O2/Ni O;研究結(jié)果表明,在0.2 m A cm-2的充放電電流密度下α-Mn O2催化劑體系的鋰-空氣電池首圈放電比容量達(dá)到了950.6 m Ah gcat.-1,3次循環(huán)后容量保持率為56%。在相同的條件下,對(duì)比于α-Mn O2催化劑,α-Mn O2/Ni O復(fù)合催化劑體系的鋰-空氣電池電化學(xué)性能得到了明顯的提高,電池8次循環(huán)后容量保持率為32.3%,高于α-Mn O2催化劑8%的容量保持率。盡管如此,α-Mn O2及其復(fù)合物較低的放電比容量,較差的電流倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,限制了其在鋰-空氣電池中的進(jìn)一步應(yīng)用。2)納米纖維狀Mn Ni/CNF陰極催化劑制備與電化學(xué)特性研究。為了進(jìn)一步提高鋰-空氣電池的電化學(xué)性能,在錳-鎳催化劑的基礎(chǔ)上,我們采用靜電紡絲技術(shù)制備了納米纖維狀Mn Ni/CNF復(fù)合材料;以之為陰極催化劑,鋰-空氣電池展現(xiàn)出了3850 m Ah gcat.-1的首圈放電比容量(電流密度:0.1 m A cm-2),8次循環(huán)后容量保持率在70%左右,電池性能明顯優(yōu)異于α-Mn O2及其復(fù)合物催化劑。研究表明Mn Ni/CNF復(fù)合催化劑中Mn O-Ni組分優(yōu)秀的催化活性,以及碳纖維(CNF)和金屬鎳(Ni)良好的電子電導(dǎo)率是提高鋰-空氣電池電化學(xué)性能的主要因素。然而,Mn Ni/CNF催化劑體系的鋰-空氣電池的倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性和電池能量效率仍有待提高。3)多孔納米纖維狀Co O/CNFs陰極催化劑制備與電化學(xué)特性研究。通過(guò)改變催化劑活性組分和優(yōu)化靜電紡絲條件,制備了具有多孔狀納米纖維結(jié)構(gòu)的Co O/CNFs復(fù)合材料。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明,對(duì)比于Mn Ni/CNF復(fù)合催化劑,Co O/CNFs復(fù)合催化劑體系的鋰-空氣電池的倍率性能和循環(huán)性能得到了較好的提高,在0.2 m A cm-2的電流密度下,電池8次循環(huán)后容量保持率為85%;當(dāng)以1000 m Ah g-1cat.的固定容量進(jìn)行“淺充淺放”時(shí),電池循環(huán)次數(shù)可達(dá)50次以上。旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)(RDE)和BET測(cè)試數(shù)據(jù)表明,Co O/CNFs催化劑中碳纖維優(yōu)異的多孔結(jié)構(gòu)能較好地提高Co O催化劑顆粒的利用率和氧還原三相反應(yīng)界面面積,從而能有效地改善電池性能。4)石墨烯基Co-Co O/r GO陰極催化劑制備與電化學(xué)特性研究。采用溶液相自組裝和水熱法相結(jié)合,制備了Co-Co O/r GO復(fù)合催化劑;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在0.2 m A cm-2的電流密度下,Co-Co O/r GO復(fù)合催化劑體系的鋰-空氣電池首次放電比容量為6841.1 m Ah gcat.-1,明顯高于Co O/CNFs(3882.5 m Ah gcat.-1)等催化劑,且電池8次循環(huán)后容量保持為3896.7 m Ah gcat.-1;同時(shí)“淺充淺放”時(shí),鋰-空氣電池循環(huán)次數(shù)可維持30次以上。研究表明,Co O-Co/r GO催化劑材料中Co-Co O顆粒的納米尺寸效應(yīng),以及催化劑中G-Metal鍵是提高復(fù)合催化劑電催化活性的主要因素。電化學(xué)研究(CV,RDE等)數(shù)據(jù)表明,對(duì)比于Mn Ni/CNF、Co O/CNFs和石墨烯(r GO)等催化劑,Co-Co O/r GO復(fù)合催化劑具有更優(yōu)秀的電催化活性,更適合于提高鋰-空氣電池的電化學(xué)性能。
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【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：O643.36;TM911.41

【參考文獻(xiàn)】

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1 周豪慎;何平;王永剛;李德;;后鋰電池時(shí)代新型電池的開(kāi)發(fā)與展望[J];物理;2012年02期

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本文編號(hào)：2322873