移動便攜設(shè)備、電動汽車和智能電網(wǎng)的快速發(fā)展對化學(xué)電源體系的能量密度和功率密度提出了越來越高的需求,研究和開發(fā)新一代高比能量鋰電池技術(shù)是目前化學(xué)電源研究的熱點和重點。最近,作為未來電動汽車潛在的化學(xué)電源,具有高能量密度的鋰-氧電池被廣泛地研究。然而,鋰氧電池的高極化、低能量效率、較差的倍率性能和循環(huán)性能仍然制約著其實際應(yīng)用。這些問題一方面來自于非質(zhì)子溶劑中氧還原(ORR)和氧析出(OER)反應(yīng)緩慢的動力學(xué)特性,另一方面來自于不溶且導(dǎo)電性差的放電產(chǎn)物L(fēng)i_2O_2在氧氣電極中的堆積。Li_2O_2的堆積將極大地阻塞電解液、氧氣和電子的傳輸通道,導(dǎo)致氧氣電極在充放電過程中較高的極化。因此,合理地設(shè)計材料和電極的孔結(jié)構(gòu),以保持固/液/氣三相區(qū)域的物質(zhì)和電子傳輸對優(yōu)化氧氣電極的性能非常重要。此外,合理的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計對于催化劑的負載和利用亦非常重要。鑒于此,本論文選擇導(dǎo)電性好、成本低、資源豐富的碳材料,采用模板法制備多孔碳材料,采用自組裝法制備多孔碳電極,研究了碳材料電極的孔結(jié)構(gòu)以及催化劑負載對氧氣電極性能的影響。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)采用納米片組裝的ZnO微球為模板,通過不同厚度的聚多巴胺包覆后在800 ~oC氮氣氣氛下的熱解,制備了一系列多孔碳微球CF-100、CF-80和CF-50。SEM和TEM分析表明,碳微球(CF)保留了模板的形貌形成中空結(jié)構(gòu)。氮氣吸脫附曲線的狹縫孔特征印證了這種中空結(jié)構(gòu),其中CF-50的比表面積和孔體積最大,分別為1007.8 m~2·g~(-1)和2.66 cm~3·g~(-1),遠高于商用碳材料Super P(SP)的比表面積60.0 m~2·g~(-1)和孔體積0.12 cm~3·g~(-1)。XPS分析表明,碳微球存在來源于前驅(qū)物多巴胺的氮原子摻雜。電化學(xué)測試表明三種CF材料在充電初期的極化較SP低900 mV,在100 mA·g~(-1)電流密度下CF-50的放電容量最高,達9154 mAh·g~(-1)。CF材料的氮原子摻雜提高了其催化性能,其高比表面積和孔結(jié)構(gòu)保證了氣體和液體的傳輸通道,為放電產(chǎn)物存儲提供更大的空間。本部分工作創(chuàng)新地提出了一種以過渡金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)為模板制備三維多孔碳材料的新方法,具有重要的科學(xué)價值和實際意義。(2)采用乙氧基-丙氧基三嵌段聚合物F127(EO_(106)PO_(70)EO_(106))為軟模板,水合肼還原氧化石墨烯,在碳紙基底上以自組裝法制備三維多孔石墨烯電極(GMS)。作為氧氣電極時,得益于高度發(fā)展的三維多孔結(jié)構(gòu),該電極在200mA·g~(-1)電流密度下表現(xiàn)出高達10200 mAh·g~(-1)的比容量。我們分別采用電沉積法和浸漬法對GMS進行了MnO_2和RuO_2催化劑負載,標記為MnO_2@GMS和RuO_2@GMS。MnO_2@GMS的充電平臺為3.99 V,較GMS電極(4.06 V)降低了70 mV,RuO_2@GMS的充電平臺為3.62 V,較GMS電極降低了440 mV。RuO_2@GMS電極循環(huán)性能最佳,在200 mA·g~(-1)電流密度下容量截止于1000mAh·g~(-1)時可循環(huán)50圈。本部分工作提出了一種直接制備無粘接劑三維多孔碳電極的方法,并在負載催化劑后成功地應(yīng)用于鋰氧氣電池,具有一定的應(yīng)用價值。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM912;O643.36
【部分圖文】：

Li+像在搖椅上在正負極之間穿梭，所以鋰離子電池又被“搖椅式”電池。在過去的二十年時間里，鋰離子電池作為可充電便攜，電池技術(shù)隨著近些年的發(fā)展，已發(fā)展到相對成熟的階段，對于其乎接近其理論極限，我們以鋰離子電池電極材料的理論能量密度來滿足動力汽車的續(xù)航要求[2,3]。因此，鋰離子電池在實際使用過程中人們探尋新一代的電池系統(tǒng)。一代的鋰硫和鋰空電池以其高比能量引起大量研究者的關(guān)注，如圖 硫電池和鋰空電池較鋰離子電池有著較大的能量密度。鋰硫電池正性材料來負載硫單質(zhì)以及反應(yīng)產(chǎn)物從而造電池體積大，體積能量密負極之間的穿梭嚴重影響著電池的實際電化學(xué)性能，使得鋰硫電池究過程中面臨著一系列的挑戰(zhàn)。鋰空電池采用空氣中的氧氣為正極能量高達 11680 W·h·Kg-1，預(yù)期比能量可達 1700 W·h·Kg-1，可與汽鋰空電池的高比能量、環(huán)境友好等特點使其最有希望作為新一代鋰于電動儲能體系[4]。

圖 1-2 四種類型鋰空氣電池裝置示意圖[2]igure 1-2 Schematic cell configurations for the four types of Li air batte 鋰空氣電池反應(yīng)機理空電池是金屬鋰單質(zhì)和氧氣的電化學(xué)組合。由于氧氣在放電過程劑，所以鋰空氣電池系統(tǒng)不同于鉛酸、鎳氫和鋰離子電池完全封閉。典型的有機系鋰空電池主要由金屬鋰、隔膜、電解液（可溶性的機溶劑中）、多孔正極材料組成。由于鋰氧電池在放電過程中的 O池在充電過程中的 OER 過程都發(fā)生在固態(tài)電極、液態(tài)電解液和氧面，因此，鋰空氣電池的反應(yīng)要比傳統(tǒng)的鋰離子電池復(fù)雜的多。鋰電過程中會有兩種物質(zhì)生成，主要產(chǎn)物為 Li2O2，會伴隨少量的 Li物為 Li2O2是，主要由以下反應(yīng)來表示[12.13]：陽極：-i →i+e+L LE = 3.05Vθvs.SHE

1.5.2 功能化碳材料在鋰氧電池中的應(yīng)用商業(yè)化碳材料除了催化活性低的特點，其簡單堆積而成的結(jié)構(gòu)也不能滿鋰氧電池在充放電過程中對電極結(jié)構(gòu)的要求。石墨烯[57-59]、碳納米管[60,61]、碳米纖維[62]、介孔碳材料[63]等功能化碳材料因其獨特的結(jié)構(gòu)和表面缺陷的特點使其廣泛應(yīng)用于能源領(lǐng)域。石墨烯是單原子厚度、sp2雜化二維層狀結(jié)構(gòu)，具有較大比表面積和良好電子導(dǎo)電性。石墨烯材料質(zhì)量較輕、導(dǎo)電性較好和具有催化活性的表面被認是鋰氧電池中具有潛力的正極材料。2011 年 Xiao 等人[21]等人采用分層次多孔墨烯材料應(yīng)用于鋰氧電池中，鋰氧電池基于正極活性碳材料的質(zhì)量呈現(xiàn)出超的放電比容量，高達 15000 mAh·g-1，表明了石墨烯在鋰氧電池中的巨大的應(yīng)前景。
【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;原位電熱法焊接石墨烯宏觀組裝材料[J];山東陶瓷;2019年02期

2 申婧文;王素敏;王奇觀;;高導(dǎo)電石墨烯的化學(xué)制備及其性能研究[J];精細化工中間體;2019年02期

3 方婧;高曉紅;吳海培;孫靜;;石墨烯與氧化石墨烯在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用[J];棉紡織技術(shù);2019年06期

4 馬睿;高汝林;鄭春華;;基于數(shù)學(xué)建模的石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱膨脹特性研究[J];合成材料老化與應(yīng)用;2019年03期

5 謝昕辰;;石墨烯使用中存在的問題及其發(fā)展趨勢[J];河南建材;2019年03期

6 ;半導(dǎo)體所等在多層石墨烯物理性質(zhì)研究方面取得新進展[J];中國粉體工業(yè);2012年02期

7 錢伯章;;石墨烯材料制備技術(shù)及應(yīng)用研究進展[J];石油和化工節(jié)能;2016年01期

8 ;天奈科技開發(fā)出碳納米管與石墨烯復(fù)合鋰電池助導(dǎo)劑[J];中國粉體工業(yè);2016年03期

9 ;廣西大學(xué)破解石墨烯制備難題 可大批量生產(chǎn)粉體材料[J];中國粉體工業(yè);2016年03期

10 ;德陽將打造“中國西部石墨烯產(chǎn)業(yè)先導(dǎo)基地”[J];中國粉體工業(yè);2016年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 高照東方;納米材料類流體/石墨烯復(fù)合氣凝膠的制備、結(jié)構(gòu)與超級電容器性能研究[D];武漢理工大學(xué);2018年

2 楊雁冰;碳基介孔功能復(fù)合材料的可控合成及性能研究[D];武漢大學(xué);2017年

3 王超;石墨烯超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)中的Andreev反射的研究[D];河北師范大學(xué);2019年

4 張斌;石墨烯/電磁功能化有機微球輕質(zhì)吸波材料的制備與性能研究[D];武漢理工大學(xué);2018年

5 寇宗魁;氯選擇性刻蝕碳化物構(gòu)筑多功能納米電極材料[D];武漢理工大學(xué);2017年

6 田仁兵;石墨烯量子點的制備、表征和反應(yīng)機理研究[D];南京理工大學(xué);2018年

7 陳生輝;復(fù)合材料內(nèi)石墨烯的分布及其對力學(xué)性能影響的分子模擬[D];中國石油大學(xué)(華東);2017年

8 王敏;TiO_2/石墨烯復(fù)合物界面調(diào)控與N/S摻雜改性研究[D];安徽大學(xué);2019年

9 黃琨;硅基石墨烯的制備及其光電器件性能調(diào)控[D];浙江大學(xué);2019年

10 朱永超;金屬石墨烯復(fù)合薄膜制備的分子動力學(xué)模擬研究[D];鄭州大學(xué);2019年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 陳雅菲;超支化聚乙烯-g-聚甲基丙烯酸甲酯共聚物的合成及其在石墨烯制備中的應(yīng)用[D];浙江工業(yè)大學(xué);2019年

2 蔣勤勤;雙核酞菁及其與石墨烯復(fù)合物對鋰/亞硫酰氯電池催化性能的研究[D];西北大學(xué);2015年

3 林雙;高密度石墨烯電化學(xué)儲能材料[D];武漢大學(xué);2017年

4 侯培鑫;高品質(zhì)氧化石墨烯的制備及其磷、硅元素阻燃改性的研究[D];廈門大學(xué);2017年

5 邵志恒;磷氮改性石墨烯及石墨基阻燃劑在環(huán)氧樹脂阻燃與防火材料中的應(yīng)用[D];廈門大學(xué);2017年

6 李秀婷;六方氮化硼/石墨烯異質(zhì)薄膜的可控制備研究[D];廈門大學(xué);2017年

7 王琳;石墨烯/納米金屬/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備[D];黑龍江大學(xué);2016年

8 孫將;界面調(diào)制對ZnCoO/2D復(fù)合材料的性能影響[D];武漢大學(xué);2017年

9 王歲艷;過渡金屬氧化物/石墨烯復(fù)合材料的制備及其儲鋰性能研究[D];蘭州大學(xué);2015年

10 姚靜文;石墨烯鹵氧鉍基復(fù)合材料的制備及可見光催化性能[D];河北師范大學(xué);2019年

本文編號：2888721