有利于多相界面反应的锂空气电池正极骨架设计与构筑

发布时间：2017-11-10 22:16

  本文关键词：有利于多相界面反应的锂空气电池正极骨架设计与构筑

  更多相关文章： 锂空气电池 有机电解液 正极骨架 聚吡咯 多孔碳 金属有机骨架

【摘要】：随着环境污染、全球变暖以及化石燃料短缺等问题日益严峻,储能技术受到前所未有的关注。目前锂离子电池被广泛应用于便携电子设备和电动汽车领域,但是由于其能量密度较低,限制了其大规模商业化应用。锂空气电池具有更高的能量密度,被视为可满足现代社会能源需求的新一代电池体系。其工作的关键在于正极的多相界面反应能否顺利进行。充放电过程中,随着放电产物将正极的孔隙填满,电池性能逐渐衰减,最终失效。因此,对正极骨架的设计与构筑至关重要。本论文中,我们系统研究了聚吡咯、聚吡咯衍生多孔碳及金属有机骨架衍生物Zn O/ZnFe2O4/C纳米笼作为锂空气电池正极骨架的电化学表现。首先,采用化学氧化聚合法制备得到聚吡咯。其独特的网络结构为氧气、电子和离子提供了快速扩散的通道;聚吡络的高极性及高亲水性,导致其与有机电解液之间形成大的固液界面接触角,从而增加了多相反应界面与气体传输通道;应用在锂空气电池中,以100 mA g-1的电流密度进行充放电测试,首圈放电容量为7825 mAh g-1,限容1000mAh g-1循环时,能可逆循环55圈。采用上述聚吡咯材料为碳源,KOH为活化剂,经过活化-碳化之后,制备了N掺杂的多孔碳纳米网络。研究结果表明:通过控制合成条件,网络结构可以很好的保持,部分吡咯态N转变为吡啶态N,形成了N掺杂的多孔碳纳米网络,由于N元素对ORR过程的促进作用,降低了过电位;同时,杂原子的存在可提高碳的导电性,进而改善其电化学性能;经过活化过程,该材料的导电性能和活性表面均得到改善,作为锂空气电池正极材料,可以提供更多的活性位点;因此得到了更好的电化学性能,具体而言,首圈放电容量增至9966 mAh g-1,且充放电过电位有所降低,在更高电流密度下能可逆循环65圈。目前对锂空气电池正极材料的研究主要集中在开发高活性的ORR/OER催化剂。然而,大部分催化剂也会加剧副反应的发生。针对这一问题,我们转变策略,致力于寻找一种与电解液兼容的稳定的正极骨架。采用具有空心八面体结构的金属有机骨架作为自牺牲模板,经过在氮气气氛下进行热处理,合成了具有分级介孔ZnO/ZnFe2O4/C纳米笼。研究结果表明:通过对热处理温度的优化,我们发现在500℃下得到的样品能够同时获得较高的电导率、足够的孔隙率及合适的孔隙大小,从而保证了氧气的传输和放电产物的沉积;虽然相对于传统的催化剂而言,ZnO/ZnFe2O4/C纳米笼的催化活性不是很强,但NMR和LSV测试显示,它在TEGDME基电解液中,电化学稳定性出众;作为锂空气电池的正极材料,该材料表现出优异的倍率性能和循环性能,具体而言,在300 mA g-1的电流密度下,首圈充放电容量高达11 000 mAh g-1,当限容于5000 mAh g-1循环时,能可逆循环10圈,不仅如此,当应用“深度放电+限容循环”模式时,限容5000 mAh g-1能可逆循环15圈。此工作为实现锂空气电池在较高放电深度下良好循环提供了参考,证明除了高的催化活性,良好的电化学稳定性对于正极骨架也极为关键。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.41

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前9条

1 姚，

本文编号：1168579