以花粉为模板的锂空气电池多孔碳电极材料的制备及其性能研究

发布时间：2017-06-15 22:14

  本文关键词：以花粉为模板的锂空气电池多孔碳电极材料的制备及其性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂空气电池尤其是非水系电解质锂空气电池具有可与内燃机相媲美的理论能量密度而成为近十多年来国内外学术界和产业界研究的焦点,是未来大容量纯电动汽车潜在的动力电源技术之一,被认为是未来能源技术的发展方向。但是,由于理论研究的不完善以及诸多的制约因素,使得锂空气电池实际能量密度远低于理论能量密度,限制了其实际性能的提升。空气电极是影响锂空气电池充放电性能的主要因素之一,多孔碳素材料是决定空气电极性能的关键。理论上讲,空气电极多孔碳材料应该满足：能够提供足够的孔隙及通道,以供氧气的快速扩散；材料本身具有良好的导电性；最好具有高的比表面积为电化学反应提高更多的反应活性位点；快速的离子传导性；大孔体积所占比重越大,有利于获得更高的比能量。因此,本文旨在构建一种孔隙结构易控、比表面积大、电化学性能优的多孔碳材料。本文采用原位聚合法在酸性条件下合成出了具有球形结构的花粉/聚苯胺复合材料,对制备得到的复合材料进行了物理表征及电导率测试,研究了溶剂中无水乙醇的含量与合成温度对复合材料形貌及电导率的影响；采用常规气氛焙烧对上一步优化工艺的复合材料进行炭化处理,对炭化后的多孔碳电极材料进行了物理表征并将其作为锂空气电池的正极材料组装成扣式锂空气电池测试其电化学性能,研究了炭化温度对多孔碳材料的表面形貌、比表面积与孔结构以及电化学性能的影响；采用微波烧结的方式对复合材料在上一步最佳焙烧温度下进行炭化处理,对炭化后的多孔碳电极材料进行了物理表征并将其作为锂空气电池的正极材料组装成扣式锂空气电池测试其电化学性能,研究了微波烧结升温速率对多孔碳材料的表面形貌比表面积与孔结构以及电化学性能的影响,研究结果如下：(1)合成温度对复合材料的形貌和电导率都有明显的影响,温度越高,材料出现团聚现象越严重；5℃合成材料的电阻率为429.77Ω·cm,60℃合成的材料这一值太高超出仪器测量范围,温度升高材料导电性变差。溶剂中无水乙醇的含量对HF/PANI复合材料表面形貌的影响不明显,无水乙醇含量从零升高至20wt%,复合材料的电阻率从429.77Ω·cm升高至1719.08Ω·cm,导电性能明显变差；(2)常规气氛焙烧在不同温度下得到的电极材料,都保持了原复合材料的球形结构,均为微孔结构；950℃下焙烧的材料具有更高的比表面积、更大的平均孔径与孔容,其中比表面积为876.912m2.g-1,平均孔径为1.113nm,孔容为0.488cm3.g-1。电化学测试表明,950℃下焙烧的电极材料具有更高的首次放电比容量和更好的循环性能,电流密度50mA.g-1下首次放电容量为5659.5mAh.g-1,循环10次后仍有112.6mAh.g-1的比容量；1200℃焙烧的电极材料的首次放电比容量为3972.7mAh.g-1,循环7次后电池结束放电。(3)微波烧结对材料具有致密化的作用,材料出现一定程度的团聚现象,均为介孔结构；以10℃/min与20℃/min的升温速率微波烧结的电极材料平均孔径分别为3.527nm与3.443nm,但是比表面积与孔容都非常小,分别只有8.960m2g-1与0.0158 cm3g-1以及9.812m2g-1与0.0169cm3g-1。电化学性能研究表明,二者具有相当的首次放电比容量以及循环性能。在电流密度为50mA.g-1下升温速率为10℃/min微波烧结的电极材料的首次放电比容量为774.7mAh.g-1,升温速率为20℃/min微波烧结的电极材料的首次放电比容量为900.8mAh.g-1,在循环6次后同时放电终止。
【关键词】：锂空气电池 花粉/聚苯胺复合材料 多孔碳 电化学性能
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM911.41
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-35
• 1.1 引言13-15
• 1.2 锂空气电池的工作原理及分类15-23
• 1.2.1 水系锂空气电池16-17
• 1.2.2 有机体系锂空气电池17-20
• 1.2.3 水系-有机混合体系锂空气电池20-22
• 1.2.4 固态体系锂空气电池22-23
• 1.3 锂空气电池面临的挑战23-24
• 1.4 锂空气电池研究现状及进展24-32
• 1.4.1 多孔碳电极材料24-27
• 1.4.2 催化剂27-30
• 1.4.3 电解液30-31
• 1.4.4 隔膜31-32
• 1.5 本文的选题依据及主要研究内容32-35
• 1.5.1 选题依据32-33
• 1.5.2 主要研究内容33-35
• 第二章 实验材料与方法35-47
• 2.1 实验材料与仪器设备35-37
• 2.1.1 实验化学试剂35-36
• 2.1.2 实验仪器设备36-37
• 2.2 实验方法37-38
• 2.2.1 花粉/聚苯胺(HF/PANI)复合材料的制备37-38
• 2.2.2 碳电极材料的制备38
• 2.3 电极片的制作及锂空气电池的组装38-41
• 2.3.1 电极片的制作38-39
• 2.3.2 锂空气电池的组装39-41
• 2.3.3 电池的测试参数设置41
• 2.4 材料的表征方法41-43
• 2.4.1 X射线衍射分析(XRD)41-42
• 2.4.2 扫描电子显微镜(SEM)42
• 2.4.3 比表面积及孔结构分析42-43
• 2.4.4 热重分析(TG)43
• 2.4.5 红外光谱分析(IR)43
• 2.5 电导率测试43
• 2.6 电导率的推算43-45
• 2.7 恒流充放电测试45
• 2.8 电池比容量的计算45-47
• 第三章 花粉/聚苯胺(HF/PANI)复合材料合成工艺的优化47-59
• 3.1 引言47-48
• 3.2 原材料的表征48-50
• 3.2.1 形貌表征48
• 3.2.2 XRD分析48-49
• 3.2.3 红外光谱分析49-50
• 3.3 合成温度对HF/PANI复合材料导电性能的影响50-53
• 3.3.1 HF/PANI复合材料的制备50
• 3.3.2 形貌分析50-51
• 3.3.3 电导率测试51-53
• 3.4 无水乙醇的含量对HF/PANI复合材料导电性能的影响53-57
• 3.4.1 HF/PANI复合材料的合成54
• 3.4.2 形貌分析54-56
• 3.4.3 红外光谱分析56
• 3.4.4 电导率测试56-57
• 3.5 本章小结57-59
• 第四章 多孔碳电极材料的常规烧结制备及其作为锂空气电池电极材料的性能研究59-71
• 4.1 引言59
• 4.2 焙烧温度的确定59-60
• 4.3 焙烧温度对多孔碳电极材料性能的影响60-68
• 4.3.1 形貌分析61-62
• 4.3.2 EDX分析62-63
• 4.3.3 比表面积及孔结构分析63-65
• 4.3.4 电池的充放电测试65-66
• 4.3.5 不同电流密度下放电性能测试66-67
• 4.3.6 电池的循环性能测试67-68
• 4.4 本章小结68-71
• 第五章 多孔碳电极材料的微波烧结制备及其作为锂空气电池电极材料的性能研究71-81
• 5.1 引言71
• 5.2 升温速率对多孔碳电极材料性能的影响71-78
• 5.2.1 形貌分析72-73
• 5.2.2 EDX分析73
• 5.2.3 比表面积及孔结构表征73-75
• 5.2.4 恒流放电性能测试75-76
• 5.2.5 电池的循环性能测试76-78
• 5.3 本章小结78-81
• 第六章 研究结论与展望81-85
• 6.1 结论81-82
• 6.2 创新点82
• 6.3 展望82-85
• 致谢85-87
• 参考文献87-95
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文95

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