TiC@C纳米颗粒制备及其在锂空电池中的应用

发布时间：2020-03-28 18:24

【摘要】：锂离子电池(LIB)是目前使用最广泛的储能系统,但是它实际所能达到的能量密度通常都限制在250 Wh·kg~(-1)以下,它不能满足耗电量日益增加的各种电子设备的需求,也远低于电动汽车动力电池对高比能量的要求。因此,开发新型高比能量、可循环使用的清洁储能体系迫在眉睫。可充锂空电池(Lithium-air battery)拥有超高理论能量密度(2-3 kWh·kg~(-1)),该数值是锂离子电池的5-10倍,可与汽油相媲美,并被认为是最有希望在电动汽车中应用的能源体系,因此它受到广泛关注。然而,锂空电池距商业化应用仍有很大距离,存在很多问题亟待解决,如:充放电过电势较高、循环效率较低、循环寿命较短等。以上所有问题主要是由于阴极氧还原反应(ORR)与氧析出反应(OER)过程缓慢、循环稳定性较差导致的,所以,开发出兼具ORR和OER双效催化活性的阴极催化剂是解决该问题的关键所在。TiC作为过渡金属化合物,具有导电性高、化学稳定性好等优点,更重要的是它拥有可与贵金属相媲美的OER催化性能,因此在各类电催化环境中得到普遍研究。另外,Ti C价格低廉、制备简单。同时,碳材料由于低成本、低密度、良好的导电性而被作为锂空电池阴极材料广泛研究。综合考虑以上因素,本文采用直流电弧等离子体法(Direct current arc-discharge plasma method),以甲烷作为反应气体,合成核壳型结构的TiC@C纳米颗粒。X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等表征结果显示TiC@C纳米颗粒是以TiC为核心、石墨层为外壳的核壳型结构,其表面包覆的石墨层存在大量缺陷。X射线光电子能谱(XPS)结果表明TiC@C纳米粒子表面存在Ti、C、O三种元素,其中O元素的存在是由于制备过程中少量空气的钝化引起的,钝化的目的是稳定活性较高的纳米粒子,使其能在空气中稳定存在。线性伏安测试(LSV)表明TiC@C纳米催化剂在碱性(0.1 M KOH)环境中的ORR过程是以二电子反应进行的,并且核壳型TiC@C纳米粒子的OER催化活性明显优于立方体TiC纳米粒子和商业铂炭(20 wt%)。锂空电池电化学表征的结果说明,TiC@C是一种兼具ORR与OER双功能催化活性的催化剂,在电流密度100 mA·g_(SP)~(-1)下,TiC@C电极的放电平台约比TiC电极和SP电极高110 mV,且TiC@C电极取得了1860 mAh·g~(-1)放电比容量,明显高出TiC电极(964 mAh·g~(-1))和SP电极(1011 mAh·g~(-1));充电时,TiC@C电极的充电平台比TiC电极降低90 mV左右,且比SP电极降低340 mV左右。TiC@C纳米粒子应用于锂空电池,可明显改善其放电比容量和循环稳定性:取电流密度为50、100、150 mA·g_(SP)~(-1),TiC@C阴极的放电比容量均高于TiC阴极;在恒流限容条件下对电极进行充放电测试(500 mAh·g~(-1),100 mA·g_(SP)~(-1)),TiC@C电极的循环寿命是TiC电极的2倍。通过XRD、红外、扫描电镜表征可知,在TiC@C纳米颗粒的双效催化作用下,Li_2O_2的生成与分解具有良好的可逆性,有效避免了大量反应副产物积累的问题,进而有效改善了锂空电池的综合性能。同时也发现,锂空电池在多次循环后性能的衰减与正极材料的钝化和电解液的分解有很大关系。本文的工作表明,充分利用碳材料和催化剂的双重优势是优化锂空电池的有效策略,并且可以将这一方法扩展到金属-空气电池和其它能源体系中先进催化剂的设计。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TM912

【参考文献】