锂离子—锂空气混合电池的设计与制备

发布时间：2017-07-16 16:16

  本文关键词：锂离子—锂空气混合电池的设计与制备

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【摘要】：在当今社会,人类正在消耗大量的化石燃料,用看似低廉的成本却付出了生态环境严重污染的巨大代价。追求绿色、清洁、低碳的可再生能源变得尤为紧迫,特别对于大规模应用已是蓄势待发。因此,开发具有高能量密度和高循环效率的储能系统具有重要意义,它能够存储和转换能量,比如电动汽车。锂离子电池是电化学储能的代表和成功典范,它已经被广泛应用在各种小型设备上,像手机、笔记本电脑,也许将来它能轻松驱动汽车。然而,锂离子电池的正极材料一般是基于嵌入脱出反应,即在材料的晶格结构不变的前提下锂离子在其中嵌入脱出。这样从本质上限制了锂离子电池的能量密度。相比而言,锂空气电池以转化反应为基础,潜藏着巨大的能量,有机系锂空气电池的能量密度达到3460 Wh kg-1。本论文以传统钴酸锂做正极,首次在纯氧气环境下充放电,得到锂离子/锂空气混合电池,它呈现两个放电平台,分别在3.8 V和2.6 V,由于增加的锂空气电池的放电容量,该电池的能量密度比钴酸锂锂离子电池增加了一倍。但是电解液TEGDME的分解使电池容量衰减很快。离子液体的电化学窗口宽,具有许多优异性能。因此我们选用1-乙基-3甲基咪唑双三氟甲磺酰(EMITFSI)作为电解液。虽然锂离子电池部分能稳定放电,锂空气电池放电衰减很快。对比XPS的结果,我们推测是由于放电产物过氧化锂的不完全分解造成的。为了解决离子液体中锂空气电池放电产物不完全分解的问题,我们采用了新的放电模式,即两个深度放电(截止电压为2 V)之间夹两个浅放电(截止电压为3 V)。使用这种放电模式是因为钴酸锂的脱嵌锂电压在3.8~4.2 V,有助于分解过氧化锂和其它副产物。用这种方式,混合电池稳定循环了28圈,相比于连续深放电循环性能显著提高。最后我采用静电纺丝法合成RuO2/Fe2O3纳米纤维。通过XRD和SEM分析,我们认为热处理温度为500oC,时间1 h是最佳的条件。充放电曲线证明RuO2/Fe2O3纳米纤维能催化锂空气电池的ORR和OER反应。首圈放电电压比纯super P提高500mV,充电电压降到4 V以下;当限定比容量为1000 mAh g-1,电池稳定循环了20圈。
【关键词】：锂空气电池 混合电池 钴酸锂 电解液 静电纺丝法 RuO2/Fe2 O3纳米纤维
【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】：TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-30
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 锂空气电池分类11-18
• 1.3 有机电解液型锂空气电池相关研究18-25
• 1.4 锂空气电池的优势及所遇到的挑战25-27
• 1.5 本论文的研究目的、方法及研究内容27-30
• 第2章 实验方法与仪器30-35
• 2.1 实验试剂及实验设备30-31
• 2.2 材料的分析与表征31-32
• 2.3 电极的制备与电池的组装32-34
• 2.4 材料的电化学性能测试34-35
• 第3章 锂离子/锂空气混合电池的设计与优化35-52
• 3.1 引言35-37
• 3.2 锂离子/锂空气混合电池的制备37-39
• 3.3 不同LiCoO_2含量对锂离子/锂空气混合电池的影响39-41
• 3.4 锂离子/锂空气混合电池在TEGDME电解液中的性能研究41-45
• 3.5 锂离子/锂空气混合电池在EMITFSI电解液中的性能优化45-50
• 3.6 本章小结50-52
• 第4章 RuO_2/Fe_2O_3催化剂材料的制备及其电化学性能52-59
• 4.1 引言52-53
• 4.2 材料合成与电化学测试方法53-55
• 4.3 材料的表征55-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第5章 结论与展望59-62
• 5.1 本论文的主要结论59-60
• 5.2 本论文的创新之处60
• 5.3 展望60-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-70
• 附录 攻读学位期间所发表的论文70

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本文编号：549496