石墨烯和二氧化锰在锂空气电池中的电化学性能研究

发布时间：2017-08-21 11:38

  本文关键词：石墨烯和二氧化锰在锂空气电池中的电化学性能研究

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【摘要】：锂空气电池作为一种具有极高理论能量密度的能量存储系统,在电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)领域具有非常广阔应用前景。但是锂空气电池的发展仍然面临着一些严峻的挑战,电池反应的氧还原和氧析出动力学过程缓慢,导致电池的能量效率低下。设计出多孔结构正极材料和双功能催化剂能有效提高电池的电化学性能。在本文中,制备出了独特的多孔结构石墨烯和具有双功能催化性能的二氧化锰催化剂作为锂空气电池的正极材料,主要研究内容如下：以高温热还原的方法制备了热膨胀石墨烯(TEGO).通过XRD、SEM进行形貌表征。测试结果表明,TEGO具有石墨烯片状结构。BET测得TEGO比表面积为268 m2g~(-1)。充放电测试结果表明,在电流密度100mAg1,电压范围2.0-4.5V条件下,TEGO首次放电比容量为9223 mAhg~(-1),充电比容量为6259 mAhg~(-1)。在限定比容量为1000mAhg~(-1)条件下能稳定循环29次且放电截止电压高于2.0 V。以微波还原的方法制备出了微波膨胀石墨烯(MEGO)。通过XRD、SEM进行形貌表征。测试结果表明,MEGO具有更好的石墨烯片层孔道结构。BET测得MEG O比表面积为337 m2g~(-1)。充放电测试结果表明,在电流密度100 mAg~(-1),电压范围20-4.5 V条件下,MEGO首次放电比容量为13862 mAhg~(-1),充电比容量为11811mAhg~(-1)。在限定比容量为1000mAh g~(-1)条件下能稳定循环53次且放电截止电压高于2.0 V。与TEGO相比MEGO展现出更高的比容量和循环稳定性。这是因为MEGO具有更好的片层孔道结构,有利于O_2运输,因而具有更好的电化学性能。以水热法制备了纯MnO_2。通过XRD、SEM进行形貌表征。结果表明,水热法制备出的纯MnO_2具有良好的晶体形貌和纳米花状结构。充放电测试结果表明,在电流密度100mAg~(-1),电压范围2.0-4.5V条件下,MEGO+MnO_2首次充放电比容量为15473 mAhg~(-1),充电比容量为15440 mAhg~(-1).在限定比容量为1000mAhg~(-1)条件下能稳定循环73次且放电截止电压高于2.0 V。利用KMnO4与酸性C的反应制备了MEGO@MnO_2复合物。通过XRD、Raman、SEM进行形貌表征。结果表明,MEGO@MnO_2具有较好的晶体形貌,Mn02均匀分布在MEGO的片层上。充放电测试结果表明,在电流密度100 mAg~(-1),电压范围2.0-4.5 V条件下,MEGO@MnO_2首次放电比容量为17101 mAhg~(-1),充电比容量为16454 mAhg~(-1)。在限定比容量为1000 mAhg~(-1)条件下能稳定循环96次且放电截止电压高于2.0 V。与将MnO_2和MEGO机械混合相比,MEGO@MnO_2复合物过电势更低,容量更高,限定比容量为1000 mAhg~(-1)循环稳定性更好。这是因为MnO_2均匀分散在MEGO的孔道上,有利于02和电解液的运输,能提供更多的反应活性位点,使MEGO@MnO_2表现出更好的电化学性能。
【关键词】：锂空气电池 石墨烯 催化剂 二氧化锰
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.41;O646
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 引言11
• 1.2 锂空气电池的优势11-13
• 1.3 锂空气电池简介13-16
• 1.3.1 水性电解液体系锂空气电池13-14
• 1.3.2 有机电解液体系锂空气电池14
• 1.3.3 混合电解液体系锂空气电池14-15
• 1.3.4 全固态电解质体系锂空气电池15-16
• 1.4 锂空气电池研究进展16-22
• 1.4.1 锂空气电池空气正极的研究16-18
• 1.4.2 锂空气电池催化剂的研究18-20
• 1.4.3 锂空气电池电解液的研究20-21
• 1.4.4 锂空气电池的水透氧膜的研究21-22
• 1.5 锂空气电池面临的问题与挑战22-23
• 1.6 本论文研究的意义与内容23-25
• 第二章 实验试剂、仪器和分析测试方法25-30
• 2.1 主要实验试剂25-26
• 2.2 主要实验仪器26-27
• 2.3 材料主要的物理表征测试方法27-28
• 2.4 锂空气电池空气正极制备与电池组装方法28-29
• 2.5 锂空气电池电化学性能测试方法29-30
• 第三章 石墨烯的制备及其在锂空气电池中的电化学性能研究30-40
• 3.1 引言30-31
• 3.2 热膨胀石墨烯(TEGO)和微波膨胀石墨烯(MEGO)的制备31-32
• 3.2.1 氧化石墨(GO)的制备31
• 3.2.2 热膨胀石墨烯(TEGO)的制备31-32
• 3.2.3 微波膨胀石墨烯(MEGO)的制备32
• 3.3 两种石墨烯的物理表征及分析32-35
• 3.4 锂空气电池性能测试及分析35-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第四章 二氧化锰在锂空气电池中的催化性能研究40-52
• 4.1 引言40-41
• 4.2 水热法制备二氧化锰纳米材料的表征及分析41-45
• 4.2.1 水热法制备纯二氧化锰41
• 4.2.2 水热法制备的纯二氧化锰物理表征及分析41-43
• 4.2.3 锂空气电池性能测试及分析43-45
• 4.3 石墨烯-二氧化锰复合物材料的制备及表征分析45-49
• 4.3.1 石墨烯-二氧化锰复合物材料的制备45
• 4.3.2 石墨烯-二氧化锰复合物材料的物理表征及分析45-47
• 4.3.3 锂空气电池性能测试及分析47-49
• 4.4 两种方法制备的二氧化锰催化性能比较49-50
• 4.5 本章小结50-52
• 结论与展望52-54
• 参考文献54-64
• 攻读硕士学位期间的研究成果64-65
• 致谢65

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