锂空气电池三维自支撑氧化物正极的制备及电化学性能研究

发布时间：2017-04-07 07:04

  本文关键词：锂空气电池三维自支撑氧化物正极的制备及电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂空气电池具有极高的理论比容量和理论比能量,环境友好且可多次循环使用,被认为是一种极具发展潜力的电源体系。目前对锂空气电池的研究仍处在初级阶段,电池的循环性能和能量转换效率等都需要提升,而研究和开发高效的正极催化剂材料被认为对锂空气电池性能的提高有关键作用。本文主要研究了几种自支撑氧化物锂空气电池正极材料的制备及其电化学性能。通过CVD法、水热法和电化学聚合法分别制备得到三维石墨烯、三维石墨烯-Co_3O_4及三维石墨烯-Co_3O_4-PPy电极。SEM、XRD、能谱等测试结果表明,得到了高品质的三维石墨烯,呈网络状的Co_3O_4纳米阵列,并在三维石墨烯-Co_3O_4表面成功负载了PPy。分别将三维石墨烯、三维石墨烯-Co_3O_4及三维石墨烯-Co_3O_4-PPy电极装配成锂空气电池。首次放电比容量分别为731.3 mAh g-1、2384.5 mAh g-1和498 mAh g-1,其中三维石墨烯-Co_3O_4电极的锂空气电池,在500 mAh g-1下限容测试,稳定循环30次。通过水热法在泡沫镍表面原位生长制备得到无碳无粘结剂的网状Co_3O_4纳米阵列复合电极(Ni@Co_3O_4-WNFs)。制备得到的Co_3O_4纳米纤维阵列相互交织,构成特殊的网络状多孔的介孔结构,且晶体结构良好。Ni@Co_3O_4-WNFs复合电极作为正极装配成锂空气电池进行电化学性能测试,首次放电容量为17118 mAh g-1,在限容500 mAh g-1的条件下,稳定循环128次;限容1000 mAh g-1时,稳定循环超过61次。通过水热法原位生长制备得到无碳无粘结剂的Co_3O_4纳米线阵列的电极(Ni@Co_3O_4-NWs),在Ni@Co_3O_4-WNFs电极表面电化学聚合沉积PPy得到Ni@Co_3O_4-WNFs-PPy复合电极。SEM和XRD等测试表面,前者具有良好的Co_3O_4晶型,纳米线阵列均匀分布构成相互间隔的线丛结构;后者PPy填补了Ni@Co_3O_4-WNFs材料的网状介孔孔洞,遮蔽了Co_3O_4活性物质。分别将Ni@Co_3O_4-NWs和Ni@Co_3O_4-WNFs-PPy复合电极材料装配成锂空气电池,首次放电比容量分别为2396.4和1057 mAh g-1。限定充放电比容量为500 mAh g-1时,分别可以稳定循环13和14次。通过水热法原位生长制备得到无碳无粘结剂的Fe_3O_4纳米片阵列电极(Ni@Fe_3O_4-WNPs)。SEM和XRD等测试结果表明,Fe_3O_4晶相良好,由纳米片构成的网格结构均匀且稳定地负载于泡沫镍上,片与片之间形成大量介孔。将此复合电极作为正极装配成锂空气电池,首次放电比容量为1955 mAh g-1,在限容500 mAh g-1的情况下,电池可以稳定循环21次。
【关键词】：锂空气电池 Co_3O_4 Fe_3O_4 网状介孔 无碳 双催化剂
【学位授予单位】：北京理工大学
【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
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-23
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 锂空气电池介绍13-17
• 1.2.1 锂空气电池简介13-14
• 1.2.2 锂空气电池的工作原理14-16
• 1.2.3 锂空气电池的优点及其存在的需要改进问题16-17
• 1.3 锂空气电池的研究现状17-21
• 1.3.1 电解液17-18
• 1.3.2 空气正极催化剂18-21
• 1.4 研究意义和内容21-23
• 1.4.1 研究意义及研究思路21
• 1.4.2 研究内容21-23
• 第2章 实验材料与实验方法23-31
• 2.1 实验仪器及试剂23-24
• 2.2 实验方法24-28
• 2.2.1 三维石墨烯的制备24-25
• 2.2.2 在三维石墨烯表面制备网状结构的Co_3O_4纳米纤维阵列25-26
• 2.2.3 在三维石墨烯-Co_3O_4材料表面电化学聚合PPy制备复合正极26
• 2.2.4 新型网状Ni@Co_3O_4锂空气电池复合正极材料的制备26
• 2.2.5 直接在泡沫镍上沉积Co_3O_4纳米线制备复合正极材料26
• 2.2.6 电化学聚合PPy制备Co_3O_4-导电聚合物正极材料26-27
• 2.2.7 新型Ni@Fe_3O_4锂空气电池复合正极材料的制备27
• 2.2.8 锂空气电池的组装和电化学测试27-28
• 2.3 材料表征28-30
• 2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)表征28
• 2.3.2 透射电子显微镜(TEM)表征28-29
• 2.3.3 X射线衍射(XRD)表征29
• 2.3.4 氮气吸脱附(BET)测试29
• 2.3.5 X射线光电子能谱(XPS)表征29-30
• 2.4 材料的电化学性能测试30-31
• 2.4.1 正极材料的循环伏安法(CV)测试30
• 2.4.2 电池充放电性能测试30
• 2.4.3 电池电化学阻抗谱(EIS)测试30-31
• 第3章 三维石墨烯-Co_3O_4-PPY(聚吡咯)复合材料的表征及测试31-42
• 3.1 引言31-32
• 3.2 三维石墨烯-Co_3O_4的表征及测试32-38
• 3.2.1 三维石墨烯的表征32-34
• 3.2.2 三维石墨烯-Co_3O_4的表征及测试34-38
• 3.3 三维石墨烯-Co_3O_4-PPy复合电极的表征及测试38-41
• 3.3.1 实验原理38
• 3.3.2 三维石墨烯-Co_3O_4-PPy复合电极的表征及测试38-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 三维自支撑泡沫NI@氧化物复合正极的制备及性能测试42-64
• 4.1 引言42-43
• 4.2 网络状Ni@Co_3O_4纳米纤维阵列(Ni@Co_3O_4-WNFs)的表征及测试43-57
• 4.2.1 实验原理43
• 4.2.2 Ni@Co_3O_4-WNFs复合材料的表征43-47
• 4.2.3 Ni@Co_3O_4-WNFs复合材料电极的电化学性能测试47-57
• 4.3 Ni@Co_3O_4-WNFs-PPy复合材料的表征及测试57-59
• 4.3.1 实验原理57
• 4.3.2 Ni@Co_3O_4-WNFs-PPy复合材料的表征57-58
• 4.3.3 Ni@Co_3O_4-WNFs-PPy复合材料的电化学性能测试58-59
• 4.4 网状Ni@Fe_3O_4纳米片阵列(Ni@Fe_3O_4-WNPs)材料的表征及测试59-62
• 4.4.1 实验原理59-60
• 4.4.2 Ni@Fe_3O_4-WNPs复合材料的表征60-61
• 4.4.3 Ni@Fe_3O_4-WNPs复合材料的电化学测试61-62
• 4.6 本章小结62-64
• 结论64-66
• 参考文献66-72
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单72-73
• 致谢73

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