锂空气电池阴极材料的制备及其性能研究

《锂空气电池阴极材料的制备及其性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、硕士学位论文锂空气电池阴极材料的制备及其性能研究PREPARATIONANDPERFORMANCEOFCATHODEMATERIALSFORLITHIUMAIRBATTERIES钱正义哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TP315学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文锂空气电池阴极材料的制备及其性能研究硕士研究生：钱正义导师：尹鸽平教授申请学位：工学硕士学科：化学工程与技术所在单位：化工学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP315U.D.C:612.3Dissertationfor

2、theMasterDegreeinEngineeringPREPARATIONANDPERFORMANCEOFCATHODEMATERIALSFORLITHIUMAIRBATTERIESCandidate：QianZhengyiSupervisor：Prof.YinGePingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ChemicalEngineeringandTechnologyAffiliation：SchoolofChemicalEngineering&TechnologyDateofDefence：J

3、une,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要由于具有超高的理论比能量，有机体系锂空气电池在电动汽车、军事等领域极具应用潜力。锂空气电池目前仍处于基础研究阶段，许多基础或应用问题需要进一步研究。本文主要研究了碳材料表面性质、钴基氧化物催化剂结构、组成对锂空气电池空气电极性能的影响，并重点探讨了构效关系。首先，选用碳纤维纸（CP）作为空气电极，研究了其表面状态对氧还原反应（ORR）及氧析出反应（OER）催化活性的影响规律。XPS测试结果表明热处理及浓硫酸/浓硝酸

4、氧化处理可有效引入含氧官能团及缺陷结构，其能够显著促进ORR及OER的进行，提高充放电效率。经热处理的碳纤维纸（Heat-CP）的放电平台提高约38.2mV，充电过电位最多降低约24.5mV；经混酸功能化处理的碳纤维纸（Acid-CP）的放电平台高达2.79V左右，提高约0.11V，充电过电位最高降幅约0.837V。在1atm氧压、0.1mA/cm2、限容0.4mAh/cm2、放电截止电压2.5V的条件下，CP、Heat-CP、Acid-CP循环寿命分别达54、41、82次。研究还发现，Acid-CP电极表面生成的Li2O2结晶度较差，更倾向于无定形结构，该种结构在充电过程中

5、更容易被氧化分解。这是由于含氧官能团及缺陷对LiO2等中间产物产生了较强的吸附作用，进而抑制了其歧化反应。本文还考察了Co3O4在锂空气电池中的应用。研究表明，与Co3O4纳米粒子相比，以KIT-6为模板通过纳米浇筑法制备的有序介孔Co3O4的电化学性能表现更为突出：一方面能更有效降低OER过电位，另一方面可提进一步升放电比容量及循环性能，但两者对ORR过程催化作用均不明显。纳米粒子及介孔结构Co3O4，对应Li2O2的成核及结晶方式也不同，前者为颗粒聚集的片状结构，后者为花瓣状结构。继而探索了浓硝酸氧化处理对Co3O4催化性能的影响。研究发现，经过酸处理，Co3O4表面引入

6、了一定浓度的氧空穴及缺陷结构。充放电测试结果表明，Co23O4催化剂表面氧空穴能显著提升ORR过程催化活性，在0.1mA/cm的电流密度下，放电平台提高约20mV。然而，由于生成了结构更为致密的Li2O2产物覆盖在电极表面，导致充电过电位反而上升。最后，本文考察了钴氧化物/碳复合催化剂在锂空气电池中的应用。研究表明，不同热解温度下制备的氮掺杂科琴黑载体担载的CoxOy/NC纳米复合催化剂中钴元素的存在状态不同：700°C热解样品主要为Co3O4，800°C热解样品中含Co3O4，CoO及Co，而经900°C热解样品仅存在Co3O4及CoO。其中，-I-哈尔滨工业大学工学硕士学

7、位论文900°C热解的样品，ORR及OER催化活性最佳：200mA/g的电流密度下，首次放电比容量达6543mAh/g，放电平台约2.82V；充电电位相对700°C及800°C热解样品分别降低约0.14V，0.26V。有序介孔CoxOy/NC催化剂在不同热解温度下，钴元素最终存在状态也不同，经900°C热解的样品电化学性能最佳，对ORR及OER过程催化活性最强。在200mA/g，限容600mAh/g条件下，其首次放电平台约2.77V，相应充电截止电位约4.37V。关键词：锂空气电池；碳材料；表面状态；四