二氧化钛非碳集流体的制备及其在锂空气电池中的应用研究

发布时间：2017-10-01 13:37

  本文关键词：二氧化钛非碳集流体的制备及其在锂空气电池中的应用研究

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【摘要】：锂空气电池的理论能量密度达到了11425 Wh/kg(不包括氧气),和汽油的能量密度相媲美,是目前为止理论能量密度最大的储能体系,吸引了全世界科研人员的关注。因此,研发高理论比能量的锂空气电池,有望解决目前化石燃料的环境污染、能源短缺等一系列难题。锂空气电池中,集流体是其关键的一部分,它主要起到了汇集电流的作用。目前在锂空气电池中用的较多的是碳纸集流体,随着非碳集流体的发展,泡沫钛和泡沫镍逐渐成为科研人员的研究热点。本文主要研究了二氧化钛非碳集流体的制备及其在锂空气电池中的应用。实验首先探究了制备二氧化钛纳米管的参数条件,并表征了其基本的物理性能以及电化学性能。实验第二部分为优化空气正极,将Ag、Ketjenblack(KB)、KB+Ag三种不同的空气正极材料超声喷涂到二氧化钛纳米管的表面制备空气正极,并通过恒流充放电测试探究了不同的空气正极材料对锂空气电池性能的影响。实验结论主要如下:1.本文以泡沫钛为阳极材料,通过阳极氧化法制备得到二氧化钛纳米管。阳极氧化过程中恒定实验温度为50℃,阳极氧化时间为2h。实验主要探究了在不同电压参数条件下,制备得到了不同形貌的纳米管结构。SEM的结果表明,45V电压条件下制备得到的二氧化钛纳米管形貌完整,相互独立,基本成圆形或椭圆形。阳极氧化后,对制备的二氧化钛纳米管进行一定的高温后处理。XRD结果表明,经过高温煅烧后的二氧化钛纳米管的晶型由煅烧前的无定形态转变得到锐钛矿和金红石两种晶型。2.本文制备的锂空气电池在干燥环境中测试。以二氧化钛纳米管为空气正极的集流体,采用超声喷涂法将Ag、KB、KB+Ag三种不同的空气正极材料喷涂到集流体的表面制备空气正极。SEM结果表明,采用超声喷涂法,制备得到了我们所需的空气正极结构。组装电池后测试结果表明以KB作为空气正极材料,制备的锂空气电池的性能最佳。电池在0.03 mA/cm2的电流密度条件下,电池的放电容量达到12556.33mAh/g,同时在0.1 mA/cm2电流密度条件下,限制比容量为1000mAh/g,电池循环了32圈。原因主要在于,以KB做为空气正极材料,提高了空气正极的比表面积,得到了与锂空气电池的相适应空气正极结构,为电池在循环充放电过程中所产生的副产物提供了充足的存储空间,保障了氧气和电解液在正极孔道的扩散,最终提高了电池的性能。采用恰当的电流密度,能使电池更好的发挥其性能。实验结果表明,采用小电流密度时(如0.05mA/cm2),电池在获得相同容量时所需要的放电时间更长,则暴露在空气环境中的时间也更长,外部环境的二氧化碳和水容易进入到了电池的内部,导致负极金属锂被腐蚀,从而使反应过程中生成许多难以分解的副产物,破坏了电极的稳态,最终导致电池的寿命衰减。同时本文将制备的二氧化钛非碳集流体与泡沫镍和碳纸集流体组装电池,进行了电化学性能的对比。实验结果表明,以二氧化钛纳米管作为集流体,电化学性能的测试结果最佳。3.锂空气电池充放电后,空气正极的表面覆盖了很多块状的物质,堵塞了正极的孔道。SEM和XRD的测试结果表明,正极表面覆盖的物质主要是电池放电过程生成的过氧化锂,长时间的循环,过氧化锂不能在充电过程中完全被分解,从而堆积在正极表面的产物越来越多,最终导致正极孔道堵塞,电池失效。
【关键词】：二氧化钛纳米管 集流体 锂空气电池 物理性能 电化学性能
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ134.11;TM911.41
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 课题研究背景11-13
• 1.2 锂空气电池的基本原理与分类13-19
• 1.2.1 锂空气电池的原理介绍13-15
• 1.2.2 锂空气电池的基本分类15-17
• 1.2.3 锂空气电池目前面临的挑战17-18
• 1.2.4 正极集流体在锂空气电池中的作用18-19
• 1.3 锂空气电池国内外研究现状19-24
• 1.3.1 锂空气电池电解液的研究进展19-20
• 1.3.2 锂空气电池正极的研究进展20-22
• 1.3.3 锂空气电池集流体的研究进展22-24
• 1.4 本文的选题依据、研究内容以及创新点24-26
• 1.4.1 选题依据24
• 1.4.2 研究内容24-25
• 1.4.3 本文的创新点25-26
• 第2章 实验材料及其制备方法26-33
• 2.1 主要实验药品26-27
• 2.2 实验主要仪器与设备27-28
• 2.3 实验方法28-30
• 2.3.1 阳极氧化法制备二氧化钛非碳集流体28-29
• 2.3.2 锂空气电池空气正极的制备及电池的组装29-30
• 2.4 材料表征的主要手段与测试方法30-33
• 2.4.1 X射线衍射仪（XRD）30-31
• 2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）31
• 2.4.3 比表面测试仪（BET）31
• 2.4.4 电导率测试31-32
• 2.4.5 恒流充放电测试32
• 2.4.6 交流阻抗测试（AC Impedance）32-33
• 第3章 二氧化钛纳米管的制备及其性能的表征33-44
• 3.1 引言33
• 3.2 二氧化钛纳米管的物理性能分析表征33-39
• 3.2.1 扫描电子显微镜（SEM） 形貌表征及分析34-36
• 3.2.2 X射线衍射仪（XRD）测试36-37
• 3.2.3 比表面积（BET）测试37-39
• 3.3 二氧化钛纳米管的电化学性能的表征39-42
• 3.3.1 不同正极集流体的电导率测试39-40
• 3.3.2 电化学阻抗测试40
• 3.3.3 深度放电容量测试40-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第4章 二氧化钛非碳集流体（TIO_2 NT）复合空气正极的制备及其在锂空气电池中的研究44-59
• 4.1 引言44-45
• 4.2 TIO_2 NT非碳集流体复合不同空气正极的物理性能分析表征45-48
• 4.2.1 扫描电子显微镜（SEM）表征45-47
• 4.2.2 比表面积（BET）表征47-48
• 4.3 TIO_2 NT非碳集流体复合不同空气正极的电化学性能的表征48-53
• 4.3.1 电化学阻抗测试48-49
• 4.3.2 深度放电容量测试49-52
• 4.3.4 恒流充放电循环测试52-53
• 4.4 不同集流体复合KB空气正极的电化学性能的表征53-55
• 4.4.1 电化学阻抗测试54
• 4.4.2 深度放电容量测试54-55
• 4.5 放电产物的表征及分析55-57
• 4.5.1 放电产物的SEM测试55-56
• 4.5.2 放电产物XRD测试56-57
• 4.6 本章小结57-59
• 第5章 结论59-61
• 参考文献61-69
• 致谢69-70
• 攻读硕士学位期间的研究成果70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 罗广生;黄诗婷;赵宁;崔忠慧;郭向欣;;A superhigh discharge capacity induced by a synergetic effect between high-surface-area carbons and a carbon paper current collector in a lithium oxygen battery[J];Chinese Physics B;2015年08期

2 闫迎利;;贝尔实验室诺贝尔奖项分析[J];安阳师范学院学报;2010年02期

3 陈清泉,孙立清;电动汽车的现状和发展趋势[J];科技导报;2005年04期

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本文编号：953793