本文關(guān)鍵詞：石墨烯基空氣陰極催化劑的制備及性能研究

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【摘要】：鋰空氣電池是一種比能量高、環(huán)境友好的新型能量存儲裝置,但是目前實(shí)際比容量較低、循環(huán)性能較差等缺點(diǎn)限制了其實(shí)用化進(jìn)程。本文從優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu)、提升其催化性能的角度出發(fā),制備高分散、高催化活性的陰極材料。首先采用微波輔助乙二醇法制備石墨烯,并將其與Co3O4結(jié)合,研究結(jié)果表明,以Co3O4-XC-72、Co3O4-石墨烯為陰極材料的鋰空氣電池,首次放電比容量分別為1926 m Ah/g、5205 m Ah/g,放電電壓均為2.5 V左右,說明石墨烯的加入可以有效提升Co3O4的催化性能。當(dāng)對放電比容量分進(jìn)行一定限制時,電池放電平臺十分穩(wěn)定,并且隨著放電比容量的減小,電池的放電平臺逐漸提高,循環(huán)性能有所提升,當(dāng)放電比容量為1000 m Ah/g,電池的放電電壓為2.8 V,可以循環(huán)5次。分別采用機(jī)械混合法和原位蔗糖碳化法制備了Co3O4-石墨烯陰極材料,測試結(jié)果顯示,二者的放電比容量均為5200 m Ah/g左右,原位蔗糖碳化法合成的陰極材料放電電壓可以達(dá)到2.65 V,相比于機(jī)械混合法的2.55 V有所提高,但是不穩(wěn)定。采用微波輔助乙二醇法制備了Pt/石墨烯,Pt的粒徑約為2.5 nm,并且在石墨烯表面均勻分散,無團(tuán)聚現(xiàn)象,石墨烯層狀結(jié)構(gòu)明顯,為單層與多層石墨的混合體,表面和邊緣比較粗糙,缺陷較多,材料微觀孔道均勻、豐富,利于氧氣的擴(kuò)散,同時對電極反應(yīng)具有一定的促進(jìn)作用。以Pt/石墨烯為陰極材料的鋰空氣電池首次放電比容量為8878 m Ah/g,放電電壓為2.6 V左右。隨著Pt/石墨烯中載鉑量的提高,電池的放電比容量逐漸增加,放電電壓維持在2.6 V左右,當(dāng)載鉑量達(dá)到20wt.%時,電池的比容量提升幅度較小,因此該陰極材料的最佳載鉑量為20wt.%。將Co3O4與Pt/石墨烯結(jié)合制備了Co3O4-Pt/石墨烯,其首次放電比容量可以達(dá)到8869 m Ah/g,放電電壓為2.7 V,與Pt/石墨烯的催化性能相近,Co3O4的加入可以降低催化劑成本。隨著Co3O4-Pt/石墨烯中載鉑量的提高,電池的放電比容量逐漸增加,放電電壓逐漸升高,當(dāng)達(dá)到20wt.%時,電池的性能提升程度較小,因此該陰極材料的最佳載鉑量為20wt.%。不同電流密度下的測試數(shù)據(jù)表明,隨著電流密度的提高,電池的放電比容量逐漸降低,循環(huán)性能有所提升。測試過程中補(bǔ)充電解質(zhì)、對氧氣進(jìn)行干燥處理可以使電池的首次放電比容量達(dá)到10000 m Ah/g,當(dāng)限制放電比容量為1000 m Ah/g時,電池的循環(huán)次數(shù)分別可以達(dá)到15、19次。
【關(guān)鍵詞】：鋰空氣電池 空氣陰極 Co3O4-Pt/石墨烯催化劑
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM911.41
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-32
• 1.1 課題研究的背景和意義10-11
• 1.2 鋰空氣電池的研究現(xiàn)狀及分析11-30
• 1.2.1 鋰空氣電池充放電機(jī)理的研究12-15
• 1.2.2 空氣陰極集流體的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.2.3 催化劑載體的研究16-19
• 1.2.4 陰極催化劑的研究現(xiàn)狀19-26
• 1.2.5 電解質(zhì)的研究26-29
• 1.2.6 鋰空氣電池的研究現(xiàn)狀分析29-30
• 1.3 本課題的主要研究內(nèi)容30-32
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法32-37
• 2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品32-33
• 2.2 空氣陰極材料的制備33-35
• 2.2.1 石墨烯、Pt/石墨烯的制備33-34
• 2.2.2 Co_3O_4-石墨烯、Co_3O_4-Pt/石墨烯的制備34-35
• 2.3 鋰空氣電池的組裝35-36
• 2.4 材料的物理表征及電化學(xué)測試方法36-37
• 2.4.1 X射線衍射（XRD）36
• 2.4.2 掃描電子顯微鏡（SEM）36
• 2.4.3 X射線能量散射能譜(XEDS)36
• 2.4.4 透射電子顯微鏡（TEM）36
• 2.4.5 拉曼光譜測試（Ram）36
• 2.4.6 恒流充放電測試36-37
• 第3章 Co_3O_4-石墨烯空氣陰極的制備及性能研究37-43
• 3.1 引言37
• 3.2 Co_3O_4-石墨烯的物理表征結(jié)果分析37-39
• 3.2.1 Co_3O_4-石墨烯的X射線衍射（XRD）分析37-38
• 3.2.2 Co_3O_4-石墨烯的掃描電子顯微鏡（SEM）分析38
• 3.2.3 Co_3O_4-石墨烯的X射線能量散射能譜分析（XEDS）分析38-39
• 3.3 Co_3O_4-石墨烯的電化學(xué)性能研究39-42
• 3.3.1 催化劑種類對電池性能的影響39-40
• 3.3.2 測試條件對電池性能的影響40-41
• 3.3.3 陰極材料的制備工藝對電池性能的影響41-42
• 3.4 本章小結(jié)42-43
• 第4章 Pt/石墨烯空氣陰極的制備及性能研究43-52
• 4.1 引言43
• 4.2 Pt/石墨烯的物理表征結(jié)果分析43-46
• 4.2.1 Pt/石墨烯的X射線衍射（XRD）分析43-44
• 4.2.2 Pt/石墨烯的掃描電子顯微鏡（SEM）分析44
• 4.2.3 Pt/石墨烯的X射線能量散射能譜分析（XEDS）分析44-45
• 4.2.4 Pt/石墨烯的透射電子顯微鏡（TEM）分析45-46
• 4.2.5 Pt/石墨烯的拉曼光譜（Ram）分析46
• 4.3 Pt/石墨烯的電化學(xué)性能研究46-51
• 4.3.1 催化劑種類對電池性能的影響46-48
• 4.3.2 催化劑載鉑量對電池性能的影響48-50
• 4.3.3 測試條件對電池性能的影響50-51
• 4.4 本章小結(jié)51-52
• 第5章 Co_3O_4-Pt/石墨烯空氣陰極的制備及性能研究52-66
• 5.1 引言52
• 5.2 Co_3O_4-Pt/石墨烯的物理表征結(jié)果分析52-54
• 5.2.1 Co_3O_4-Pt/石墨烯的X射線衍射（XRD）分析52-53
• 5.2.2 Co_3O_4-Pt/石墨烯的掃描電子顯微鏡（SEM）分析53
• 5.2.3 Co_3O_4-Pt/石墨烯的X射線能量散射能譜分析（XEDS）分析53-54
• 5.3 Co_3O_4-Pt/石墨烯的電化學(xué)性能研究54-65
• 5.3.1 催化劑種類對電池性能的影響54-56
• 5.3.2 催化劑載鉑量對電池性能的影響56-58
• 5.3.3 測試條件對電池性能的影響58-61
• 5.3.4 電解質(zhì)揮發(fā)性對電池性能的影響61-63
• 5.3.5 空氣濕度對電池性能的影響63-65
• 5.4 本章小結(jié)65-66
• 結(jié)論66-67
• 參考文獻(xiàn)67-73
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果73-75
• 致謝75

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 高勇;王誠;蒲薇華;鄧長生;;鋰-空氣電池的研究進(jìn)展[J];電池;2011年03期

2 麻微;陳何;王紅;陽炳檢;廖小珍;;鋰空氣電池空氣電極研究進(jìn)展[J];電源技術(shù);2013年01期

3 黃征;池波;蒲健;李箭;;高性能鋰-空氣電池材料的研究[J];化學(xué)進(jìn)展;2013年Z1期

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本文編號：928681