含贵金属四氧化三钴作为锂空气电池正极催化剂的性能研究

发布时间：2017-03-30 05:09

  本文关键词：含贵金属四氧化三钴作为锂空气电池正极催化剂的性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在众多的二次能源中,锂空气电池因为具有较高的理论能量密度,被人们寄予厚望。但是,目前的锂空气电池仍然存在严重的极化现象、电解液的挥发及分解、循环性能不理想、功率性能不理想及金属锂负极的腐蚀等现象。为了解决以上问题,合适的正极催化剂材料被认为是最有效,最可实现,也是最早开始的研究之一。本文工作的主要目的是寻找合适的正极催化剂,以优化放电产物的形成和分解为突破口,改善锂空气电池的性能。在本文的研究中,我们设计并且用水热法合成了生长在泡沫镍上的纳米线形貌的C0304材料以及Pt/Co3O4材料。用XRD、XPS、SEM、TEM等测试方法对材料的结构和形貌进行了表征。随后,用恒流充放电测试、循环伏安测试和交流阻抗测试对上述材料进行了锂空气电池的催化性能分析,并且通过充放电之后电极表面放电产物的形貌和成分观察,探究在电极材料上负载贵金属,以及在电解液中分散贵金属颗粒对C0304材料催化性能的影响。具体研究内容如下：(1)通过对水热合成的实验确定合成含贵金属的纳米C0304材料的方法。分别从水热反应的时间、退火的温度、反应前驱体的浓度三个方面进行了原位制备含贵金属的纳米C0304材料的水热合成研究。研究表明,120℃水热条件下,5h的反应时间对C0304材料的合成最为适宜,而退火则为400℃的温度最为合适。通过控制反应条件,我们合成了形貌均一的线状C0304纳米材料。实验证实了水热反应法对于C0304材料的均匀合成是一种有效的方法。(2)研究了生长在泡沫镍上的Pt/Co3O4材料的电化学性能。电化学测试表明,Pt/Co3O4作为正极催化剂的锂空气电池可以在500 mAh g-1的恒容测试下维持55次的稳定循环,Pt在电极材料的加入对其电化学性能,尤其是充电的过电位有明显的改善。通过对循环过程充放电空气电极形貌和结构的分析,我们明确了放电过程主要放电产物是Li202,并提出贵金属Pt的加入能够诱导Li202薄片的生长,杜绝大颗粒放电产物的出现,从而缓解和延迟了电极的钝化,使Li202在较低电位就能完全分解,减少副反应的发生的机制。(3)通过在电解液中加入钯,将四氧化三钴(固相中)和钯(电解液中)作为锂空气电池的双效催化剂进行研究,从而改善锂空气电池的性能。电化学测试表明,与C0304在普通的TEGDME电解液中作催化剂的锂空气电池相比,在Pd/TEGDME中测试的锂空气电池的电化学性能有了明显的改善。在电解液中加入Pd之后,锂空气电池可以在500 mAh g-1的恒容测试下维持超过75次的稳定循环。通过对循环过程充放电空气电极形貌和结构的分析,我们得出Pd的加入使放电产物的形貌更加均匀。同时通过面扫能谱分析,我们发现本来分布在电解液中的Pd,在经过的放电过程中,一部分沉积到了电极材料的表面。而当又进行了充电反应之后,又重新回到了电解液中,参与下一步放电反应的进行。这说明Pd充分参与了液相部分以及固相部分的催化反应,对电池的性能有一定的贡献。
【关键词】：锂空气电池 正极 催化剂 双相催化 Co_3O_4 Li_2O_2 Pt Pd
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.41
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 锂空气电池简介13-15
• 1.2.1 锂空气电池的发展历史13-14
• 1.2.2 锂空气电池的工作原理14-15
• 1.3 锂空气电池的优点以及面临的挑战15-17
• 1.3.1 锂空气电池的优点15-16
• 1.3.2 锂空气电池面临的挑战16-17
• 1.4 锂空气电池研究中的关键性问题和研究进展17-25
• 1.4.1 过电位18-19
• 1.4.2 催化剂19-23
• 1.4.3 氧气的扩散与溶解23-24
• 1.4.4 电解液24-25
• 1.5 选题依据和研究思路25-28
• 第二章 实验设备与方法28-36
• 2.1 实验试剂和设备28-29
• 2.2 材料的合成29-31
• 2.2.1 在泡沫镍上生长的四氧化三钴的制备29-30
• 2.2.2 在泡沫镍上生长的负载铂的四氧化三钴的制备30
• 2.2.3 在泡沫镍上生长的负载钯的四氧化三钴的制备30-31
• 2.3 材料的物化表征31-32
• 2.3.1 X射线衍射(XRD)物相分析31
• 2.3.2 材料表面形貌扫描电子显微分析(SEM)31
• 2.3.3 透射电子显微分析(TEM)31
• 2.3.4 X射线光电子能谱分析(XPS)31
• 2.3.5 比表面积分析(BET)31-32
• 2.4 电池的制作与测试32-33
• 2.4.1 锂空电池测试模具32-33
• 2.4.2 锂空纽扣电池33
• 2.5 材料电化学性能测试33-36
• 2.5.1 恒流充放电测试33-34
• 2.5.2 循环伏安测试34
• 2.5.3 电化学交流阻抗测试34-36
• 第三章 含贵金属四氧化三钴材料的制备与表征36-52
• 3.1 引言36-37
• 3.2 四氧化三钴的结构37
• 3.3 水热法制备四氧化三钴材料37-43
• 3.3.1 水热法制备四氧化三钴材料的物相分析38-39
• 3.3.2 水热法制备四氧化三钴材料的形貌控制39-43
• 3.4 水热法制备含铂的四氧化三钴材料43-47
• 3.4.1 水热法制备含铂四氧化三钴材料的物相分析43-44
• 3.4.2 水热法制备含铂的四氧化三钴材料的SEM形貌分析44-46
• 3.4.3 水热法制备含铂的四氧化三钴材料的TEM分析46-47
• 3.5 水热法制备含钯的四氧化三钴材料47-50
• 3.5.1 水热法制备含钯四氧化三钴材料的物相分析47-48
• 3.5.2 水热法制备含钯的四氧化三钴材料的SEM形貌分析48-50
• 3.6 本章小结50-52
• 第四章 含铂的Co_3O_4材料在锂空气电池中的性能研究52-64
• 4.1 引言52
• 4.2 材料设计思路52-54
• 4.3 四氧化三钴材料作为锂空气电池正极催化剂54-55
• 4.4 含铂的四氧化三钴材料作为锂空气电池正极催化剂55-57
• 4.5 放电后Pt/Co_3O_4的形貌与结构分析57-61
• 4.6 添加铂诱导过氧化锂生长的机理研究61-62
• 4.7 本章小结62-64
• 第五章 电解液加Pd的Co_3O_4在锂空气电池中的性能研究64-74
• 5.1 引言64
• 5.2 材料设计思路64-66
• 5.3 含钯的四氧化三钴材料作为锂空气电池正极催化剂66-67
• 5.4 电解液中加钯的四氧化三钴材料作为锂空气电池正极催化剂67-69
• 5.4.1 分散Pd的TEGDME电解液67-68
• 5.4.2 Pd/TEGDME中Co_3O_4在锂空气电池中的性能68-69
• 5.5 放电后在含有Pd的TEGDME的电解液中Co_3O_4的形貌分析69-71
• 5.6 电解液中添加钯对锂空气电池性能影响的原因探究71-72
• 5.7 本章小结72-74
• 第六章 总结74-76
• 参考文献76-86
• 致谢86-88
• 个人简历88-90
• 攻读学位期间发表的学术成果90

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