發(fā)布時(shí)間：2020-10-24 09:41

　　 鋰-空氣電池由于具有極高的能量密度而被視為比鋰離子電池更具應(yīng)用前景的儲(chǔ)能器件。在其正極催化劑研究方面,過渡金屬氧化物由于種類眾多,合成方便,成本較低且催化活性良好獲得了廣泛的研究和關(guān)注。本論文以過渡金屬氧化物中典型的幾種氧化物L(fēng)aNiO3(LNO)、α-MnO2和Co3O4為研究對象,制備出N摻雜鈣鈦礦LaNiO3(LNON)催化劑和復(fù)合催化劑α-MnO2/Co3O4,并通過X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和X-射線光電子能譜儀(XPS)等相關(guān)測試手段對制備出的材料進(jìn)行表征,并探究其在堿性水系電解液中的催化活性和相應(yīng)鋰-空氣電池中的電化學(xué)性能。在N摻雜LaNiO3中,通過旋轉(zhuǎn)圓盤電極測試發(fā)現(xiàn)氮化時(shí)間為4 h的樣品LNON/4h在0.1MKOH中表現(xiàn)出最高的氧還原(ORR)和氧氧化(OER)極限電流密度,同時(shí)ORR反應(yīng)電子數(shù)也最接近4。將LNON/4h應(yīng)用于鋰-空氣電池正極催化劑,探究其電化學(xué)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn),以負(fù)載在正極上的催化劑為計(jì)算基準(zhǔn)時(shí),在電流密度為50 mA g-1下,負(fù)載LNON/4h催化劑的鋰-空氣電池首次放電比容量為5910mAhg-1,明顯高于LNO電池,同時(shí)LNON/4h電極也具有最低的過電壓。此外,在不同的電流密度下,LNON/4h的電池表現(xiàn)了良好的倍率性能和容量保持率。在電流密度為250mAg-1,限制容量為500mAhg-1,電壓范圍為2.5～4.7V下循環(huán)測試時(shí)LNON/4h電池可以穩(wěn)定循環(huán)50圈。通過對氧電極進(jìn)行SEM表征發(fā)現(xiàn),LNON/4h催化劑由于具有更高含量的氧空位能夠有效促進(jìn)放電產(chǎn)物L(fēng)i2O2的生成和分解,從而明顯改善鋰-空氣電池電化學(xué)性能。對于復(fù)合催化劑α-MnO2/Co3O4,其催化活性的提高不僅與α-MnO2和Co3O4的協(xié)同效應(yīng)有關(guān),也與復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的界面效應(yīng)有關(guān),即復(fù)合時(shí)少量Co原子進(jìn)入α-MnO2晶體內(nèi),導(dǎo)致復(fù)合催化劑中的吸附氧含量升高,氧空位增多。在ORR和OER極化曲線中,α-MnO2/Co3O4催化劑均表現(xiàn)出最優(yōu)起始電壓和最高的極限電流密度。同樣地,將α-MnO2/Co3O4催化劑應(yīng)用在鋰-空氣電池中考察其在有機(jī)電解液中的電化學(xué)性能,以負(fù)載在氧電極上的碳材料KB質(zhì)量為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。在電流密度為100mA g-1下,負(fù)載α-MnO2/Co3O4催化劑的鋰-空氣電池首次放電比容量為5699mAhg-1,同時(shí)也具有最低的過電壓為1.22V。在不同的電流密度下,負(fù)載α-MnO2/Co3O4的電池表現(xiàn)了良好的倍率性能和容量保持率。在電流密度為500mAg-1,限制容量為1000mAhg-1,電壓范圍為2.2～4.7V下循環(huán)測試時(shí),負(fù)載α-MnO2/Co3O4的電池可以穩(wěn)定循環(huán)40圈。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O643.36;TM911.41
【部分圖文】：

鋰－空氣電池具體的反應(yīng)機(jī)理由于電解質(zhì)的不同也存在著差異，通常根據(jù)電解??質(zhì)的類型可以將鋰－空氣電池分為以下四類：水系鋰－空氣電池、有機(jī)系鋰－空氣電??池、水系－有機(jī)系混合鋰－空氣電池及固體電解質(zhì)鋰－空氣電池，如圖１．１所示［１Ｇ］。其??中，水系和有機(jī)系電解液鋰－空氣電池的研究最為廣泛。??（ａ）Ａｐｒｏ�。椋澹撸�?Ｄ＾ｃｈａｒｐｅ?（ｂ）Ａｑｕｅｏｕｉ＾?Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ??ｅ－ｊ?ｒｖｙ?￣ＩＫ－?ｒ｜?ｒＱｙ?１?￣￣Ｉ?卜－??＇?．．?齡；；：次?雜聚??＇?．?ｍ＇ｓ?爾???泛?—?ｕ＿?－ｗ－??騎：梅??Ａｐｒｏｉｋ?Ｌｉｔｈｉｕｍ?Ａｑｕｅｏｕｓ?？?＇■??丨?｜?ＦＪｃｃｔｒｏｌ＾ｃ?＂?ＮＵ，ａｌ?ａｃｃ！ｒ？Ｍｃ?ｌｋ，ｄＧ?“??Ｌｉ?ｍｅｕｉ］?ｐｒｏｋＴｔｉｃｍ?ｆｉｌｍ??（Ｃ）?Ｈｙｂｒｉｄ＾?Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?（ｄ）?Ｓｏｌｉｄ－ｓｔａ＾?Ｄｉ＿??ｅ＊｜?［￣Ｗ?Ｈｅ－?ｅ－｜?｜｜ｒ??．．．．?．．．．．．．．．?．．．．．?—ｊｗｓａｔ．—．?＿ｊ＊＊＿?＿?—??麵?：雛：??一——ｔＬ．?＿一－?ｕ

??的ＳＥＭ表征如圖１．２所示，無ＣＰＬ保護(hù)的鋰負(fù)極表面有鋰枝晶生成，而覆蓋ＣＰＬ??保護(hù)的鋰負(fù)極無明顯鋰枝晶生成，表面保持光潔。這表明ＣＰＬ保護(hù)膜能有效抑制??鋰枝晶的生成，提高電池循環(huán)穩(wěn)定性。此外，科研人員也發(fā)現(xiàn)通過在電解液中使用?－??添加劑使得金屬表面生成ＳＥＩ膜也能夠有效的保護(hù)金屬鋰負(fù)極，改善電池的電化??學(xué)性能明。??圖１．２有ＣＰＬ保護(hù)膜（ａ）和沒有保護(hù)膜（ｂ）循環(huán)后鋰負(fù)極的ＳＥＭ圖??Ｆｉｇ?１．２．?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｌｉ?ａｎｏｄｅｓ?ｗｉｔｈ?（ａ）?ａｎｄ?ｗｉｔｈｏｕｔ?（ｂ）?ＣＰＬ?ａｆｔｅｒ?ｃｙｃｌｅｓ．??（二）開發(fā)新型負(fù)極材料。ＨａＳＳ〇ｕｎ［２（）］等通過將鋰合金化制成鋰硅合金應(yīng)用在??鋰－空氣電池的負(fù)極，電池可穩(wěn)定循環(huán)１５圈。＼￥３１＾［２１］等開發(fā)了?ＬｉｘＡｌ－Ｃ作為鋰－空??氣電池負(fù)極，同樣也發(fā)現(xiàn)可以有效的抑制負(fù)極材料的腐蝕。雖然此方法可以一定程??度上改善負(fù)極的穩(wěn)定性，但由于引入新物質(zhì)犧牲了部分金屬鋰，使得鋰－空氣電池??的能量密度有所降低。??水江瀾［２２］等對循環(huán)后金屬鋰負(fù)極進(jìn)行同步輻射Ｘ射線衍射和微斷層掃描表征??發(fā)現(xiàn)，金屬鋰表面在電池充放電過程中會(huì)不斷轉(zhuǎn)化成ＬｉＯＨ并隨著循環(huán)進(jìn)行而不斷??變厚

ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?ｃａｔｈｏｄｅｓ．??此外，通過對碳材料進(jìn)行Ｎ、Ｂ和Ｓ等元素?fù)诫s，會(huì)使材料產(chǎn)生大量缺陷位點(diǎn)??和邊緣位，產(chǎn)生更多的反應(yīng)活性位點(diǎn)，從而有效的提高其電催化性能＿，４１］。如圖１．３??所示，Ｈａｎ［４１］等以吡啶和噻吩為Ｎ源和Ｓ源，通過化學(xué)氣相沉積制備出了?Ｎ摻雜??石墨烯和Ｓ摻雜石墨烯，研究發(fā)現(xiàn)Ｎ摻雜石墨烯在增強(qiáng)０ＲＲ反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面效??果更突出，因而顯著提高電池的放電容量，其組裝的鋰－空氣電池放電容量為１０４００??ｍＡｈｆ１。而Ｓ摻雜石墨烯盡管在放電容量上相比Ｎ摻雜石墨烯低，但其能夠更有??６??
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本文編號(hào)：2854304