【摘要】：隨著微電子、信息和新能源技術的快速發(fā)展，對化學電源提出了越來越高的性能需求。擁有超高理論能量密度，且材料成本低廉、環(huán)境友好的鋰空氣電池的出現(xiàn)，為實現(xiàn)這一目標打開了一扇新的大門。其正極反應物為氧氣，在大氣中資源豐富，獲取成本極其低廉，可以有效地降低了電池的成本�；贚i2O2生成和分解的反應，鋰空氣電池的理論能量密度高達3600Wh/kg，其實際全包裝能量密度有望達到600Wh/kg，接近汽油在內燃機中燃燒所提供的能量密度700Wh/kg。正因為在能量密度上的顯著優(yōu)勢，鋰空氣電池被認為是可以替代內燃機的下一代儲/功能系統(tǒng)。目前，鋰空氣電池技術尚處于發(fā)展初期，在大規(guī)模商業(yè)化前仍有大量技術問題需要解決。例如，對電池內部的化學反應缺少全面的認知，空氣正極孔道設計的不合理導致實際能量密度低下；電解液和碳電極的不穩(wěn)定導致電池循環(huán)性能大大降低；缺少高效的正極催化劑來降低充放電過電位。 本文通過設計和合成特定結構和成分的過渡金屬氧化物，來降低充放電過程過電位，同時調控正極結構得到較高的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。 首先，采用靜電紡絲法成功制備了Fe2O3納米線（Fe2O3NWs），并將其用于鋰空氣電池的正極催化劑。基于Fe2O3NWs催化劑的鋰空氣電池表現(xiàn)出較高的容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。這一材料具有較好的催化活性，同時其獨特的多級孔結構可以對正極形貌進行調控，二者的協(xié)同效應使得鋰空氣電池性能得到明顯的提升，同時也體現(xiàn)出形貌設計對性能影響的重要性。雖然材料的導電性一般，對電池的倍率性能造成了一定的消極影響，但具有多級孔結構的Fe2O3NWs不僅有利于氧氣和電解液等反應物的傳輸，也為放電產物的堆積提供了充足的空間，與僅使用純SP正極的鋰空氣電池相比，使用Fe2O3NWs催化劑的電池表現(xiàn)出更優(yōu)秀的循環(huán)穩(wěn)定性和循環(huán)圈數以及更高的放電電位，體現(xiàn)出這一結構的優(yōu)越性。 其次，介于鈣鈦礦材料具有較好的較好的氧還原（ORR）和氧析出（OER）催化活性，利用模板法設計并合成了具有三維有序大孔（3DOM）結構的LaFeO3（3DOM-LFO）鈣鈦礦材料作為鋰空氣電池正極雙功能催化劑。這種特殊的結構可以為氧氣和電解液的傳輸提供便捷的通道，同時大孔結構可以為放電產物的沉積提供充足的空間。實驗結果表明，3DOM-LFO應用于鋰空氣電池正極，表現(xiàn)出較好的ORR和OER催化活性。與使用LFO納米顆粒和Super P碳的對照組電池相比，使用3DOM-LFO催化劑后有效的降低了充放電過電位，表現(xiàn)出更高的比容量、更好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。這種增強的性能可以歸功于材料結構和催化活性的協(xié)同效應。 本論文研究了兩種過渡金屬氧化物催化劑在鋰空氣電池中的性能，通過對材料催化活性和正極結構對電池的充放電電位、容量和循環(huán)性能的系統(tǒng)研究，為鋰空氣電池的進一步研究和應用提供了重要的數據和經驗。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM911.41;O643.36
【圖文】：

圖 1.1 不同種類的二次電池質量能量密度（Wh/kg）與汽油的對比。藍色柱狀圖表示個電池體系的理論能量密度（基于熱力學計算得到）；橙色柱狀圖表示個電池體系的實際能量密度，其中鋰空氣電池的數值為估值[7]Fig. 1.1 Gravimetric energy densities (Wh/kg) of various types of rechargeable batteriescompared to gasoline. The theoretical energy density is based on thermodynamics and ispresented by blue bars, the orange bars with values represent the practical energy density.The value of Li-air battery is just an estimate[7]雖然近年來鋰空氣電池的研究非常活躍，在空氣正極的結構調控、電解液的穩(wěn)定性及電催化劑的催化反應機理等方面均取得了重要進展。但多數研究者往往是基于鋰離子電池的研究經驗，原始創(chuàng)新研究較少。對于空氣正極反應機理、傳質和存儲機制及調控等都缺乏系統(tǒng)的研究，相關反應理論體系并沒有建立[16-22]。鋰空氣電池的性能仍然難以向實用化的方向繼續(xù)邁進。尤其值得注意的是，在實驗上要解決

鋰空氣電池是基于Li和O2的氧化還原反應的一種半開放式電池，如圖1.2所示，目前廣泛研究的鋰空氣電池使用金屬鋰作為負積，多孔空氣電極作為正極，正極上往往負載催化劑來降低充放電過程的過電位，電解質采用液體或固體。由于正極反應物為空氣中的氧氣，可直接從大氣中獲得，無需存儲于電池內部，不僅有效降低了成本，也大大降低了電池的整體重量，從而提高了電池的質量能量密度。圖 1.2 鋰空氣電池結構示意圖[23]Fig. 1.2 Schematic illustration of the Li-air battery[23]鋰空氣電池的放電過程可以粗略的分為三步，首先在空氣中的 O2在正極處由氣態(tài)溶解到電解液中，隨后溶解的氧擴散到正極的催化劑表面，在催化劑的作用下O2被還原

吉林大學碩士學位論文Li2O2→ Li + O2。整個充放電過程往往需要引入催化劑來降低過電位，以提高充放電效率。根據使用的電解液不同，鋰空氣電池可以分為四類，即非水系（有機質子惰性）鋰空氣電池、水系鋰空氣電池、混合型鋰空氣電池和固態(tài)鋰空氣電池。不同類型的鋰空氣電池內部結構也不同，如圖 1.3 所示。目前科研人員研究較多的是基于有機質子惰性電解液的鋰空氣電池，其內部結構是由金屬鋰作為負積，多孔空氣電極作

【共引文獻】

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本文編號：2749072