钴基金属有机框架化合物衍生物作为锂空气电池正极催化剂

发布时间：2020-07-30 03:22

【摘要】：锂空气电池因为11.8 kWh/kg的超高理论能量密度受到广泛关注,但电池实际应用存在充放电过电势高、能量效率低、倍率和循环性能差等问题。合理选择催化剂和优化正极结构是提高电池性能重要方法。金属有机框架化合物是一种周期性拓扑多孔材料,相互连通多孔结构可以提供物质快速传输通道和大量催化活性位点,是锂空气电池理想催化剂。本论文通过室温液相反应制备了ZnCo-ZIF,经热处理制备了Co@NCNT/P锂空气电池正极催化剂,材料结构和组成表征证明其为N掺杂碳纳米管多面体复合材料。电池在0.1 A/g限压2 V时,放电比容量高达17000 mAh/g。电池在0.1 A/g下限制比容量1 Ah/g时放电电压为2.8 V,充电电压为4.0 V,总过电势为1.2 V。1 A/g限容1 Ah/g循环超过350圈。氮掺杂CNT和均匀分布催化活性位点提高了催化剂能力和利用率,提高了电池的倍率性能和循环性能。为进一步增强催化剂内部物质传输,充分发挥催化剂催化性能,减少氧气和锂离子物质传输对电池性能影响。以木材为原料碳化制备了具有仿生立体孔道结构Wood-D,将Co-ZIF生长在Wood-D结构中,经热处理制备了Wood-D/Co_3O_4/C。材料结构和组成表征证明Wood-D具备仿生立体孔道结构,Co_3O_4/C单层均匀分布在Wood-D结构中。电池在0.1 mA/cm~2限压2 V时,放电比容量超过6 mAh/cm~2。在1 mA/cm~2下限制比容量1 mAh/cm~2循环可达380圈电压无衰减,放电电压平台均高于2.6 V,充电电压均低于4.3 V。限制放电比容量为1 mAh/cm~2时,0.1 mA/cm~2下电池放电电压为2.87 V,1 mA/cm~2下放电电压为2.6 V,不同电流密度下充电电压均低于4.3 V。Wood-D/Co_3O_4/C电极表面毛细吸附一薄层电解液形成分相传质通道结构:电极表面吸附的薄层电解液构成锂离子传质通道,孔道中空部分形成气体扩散传质通道。分相传质通道可以快速传输氧气和锂离子,在高倍率和长循环下充分发挥电极催化能力。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TM911.41
【图文】：

里程,单次,电池

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 1 章绪论1.1 课题背景随着社会发展，不可再生化石能源消耗日益加剧，环境污染严重，能源和环境问题日益凸显。各国开始加速开发利用风能、太阳能和潮汐能等可再生的清洁能源。同时为了减少化石能源消耗，降低 CO2排放，电动汽车的推广与发展受到了各国的重视与支持[1]。图 1-1(a)展示了各种类型电池能量密度、功率密度及每次充电之后的续航里程的对比。在铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池几种商业化的电池中，从能量密度、环保、安全和价格等参数综合考虑，锂离子电池拥有最高的比能量与功率密度且与电池管理系统良好的匹配性，成为目前电动汽车中应用最广的电池[2]。

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