钴基金属复合氧化物催化剂的制备及其在锂空气电池中的应用研究

发布时间：2017-09-16 19:20

  本文关键词：钴基金属复合氧化物催化剂的制备及其在锂空气电池中的应用研究

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【摘要】：近年来锂空气电池成为研究热点,该电池与普通的锂离子电池相比,有更高的理论能量密度(11,000 Wh kg-1),被认为在电动汽车领域里的最有前景的储能系统。但是,在投入实际应用之前,需要解决诸如低的循环效率、低的倍率性能和差的循环性能等问题。最近,人们在通过空气电极引入双功能催化剂来提高电池的电化学性能方面做了大量的工作。基于此,本文研究重点集中在制备廉价高效的锂空气电池催化剂。具体研究内容包括:(1)首次通过静电纺丝技术和煅烧后处理方法得到了一维多孔的La0.5Sr0.5CoO2.91纳米管,并作为高效的双功能催化剂应用于锂空气电池。当由La0.5Sr0.5CoO2.91纳米管组装的锂空气电池在电流为100 mA g-1条件下放电,得到首次放电容量为7205 mAh g-1,放电电压平台为2.66 V。La0.5Sr0.5CoO2.91纳米管在碱性介质和非水电解液中可以有效的促进氧还原和氧析出反应,因而提高了电池的能量效率和库伦效率。电池在限容1000 mAh g-1的条件下可以循环85次,表明可以作为双功能催化剂应用于锂空气电池的正极。(2)通过硬模板制备了三维有序介孔(3DOM)的CuCo2O4材料,该材料可以作为高效的双功能催化剂应用于锂空气电池。通过XRD和TEM确定了CuCo2O4材料为纯相的三维有序结构。制备的CuCo2O4纳米颗粒有高的比表面积97.1 m2 g-1。循环伏安测试表明三维介孔的CuCo2O4可以提高氧还原(ORR)和氧析出(OER)的动力学反应。由3DOM CuCo2O4组装的锂空气电池比纯的科琴炭黑(KB)组装的锂空气电池有更高的放电比容量,放电比容量为7456 mAh g-1。另外,在电流密度为100 mA g-1条件下,CuCo2O4电极比碳电极极大的提高了电池的循环性能,且降低了610 mV的充放电电位差。CuCo2O4材料的高的催化活性与其大的比表面积和3D有序介孔结构有关。(3)通过硬模板制备了三维有序介孔(3DOM)的ZnCo2O4材料,该材料可以作为高效的双功能催化剂应用于锂空气电池。通过XRD和BET表征了ZnCo2O4纳米颗粒为尖晶石结构,且有127.2 m2 g-1的高比表面积。由3DOM ZnCo2O4组装的锂空气电池比纯的科琴炭黑(KB)组装的锂空气电池有更高的放电比容量,放电比容量为6024 mAh g-1。另外,在电流密度为100 mA g-1条件下,ZnCo2O4电极比碳电极极大的提高了电池的循环性能,且降低了220 mV的充放电电位差。ZnCo2O4材料的高的催化活性与其大的比表面积和3D介孔结构有关。
【关键词】：锂空气电池 催化剂 静电纺丝技术 介孔材料 电化学性能
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;TM911.41
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义11-12
• 1.2 锂空气电池简介12-25
• 1.2.1 锂空气电池的工作原理12-14
• 1.2.2 锂空气电池的研究进展14-25
• 1.3 本论文的研究思路及主要工作25-26
• 第2章 实验材料与实验方法26-34
• 2.1 实验药品和试剂26
• 2.2 实验仪器设备26-27
• 2.3 催化材料的制备27-29
• 2.3.1 一维多孔La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(2.91)纳米管的制备27-28
• 2.3.2 三维介孔CuCo_2O_4的制备28
• 2.3.3 三维介孔ZnCo_2O_4的制备28-29
• 2.4 样品物化性能表征29-31
• 2.4.1 扫描电子显微镜(SEM)表征29
• 2.4.2 透射电子显微镜(TEM)表征29-30
• 2.4.3 X射线能量分析光谱(EDX)分析30
• 2.4.4 X射线衍射(XRD)表征30
• 2.4.5 X射线光电子能谱(XPS)表征30
• 2.4.6 氮气吸脱附(BET)测试30-31
• 2.4.7 热重-差热(TG)分析31
• 2.5 研究电极的制备及电池的组装31-32
• 2.5.1 研究电极的制备31
• 2.5.2 锂空气电池的组装和测试31-32
• 2.6 材料的电化学性能测试32-34
• 2.6.1 充放电测试32
• 2.6.2 循环伏安(CV)测试32
• 2.6.3 线性扫描伏安(LSV)测试32-33
• 2.6.4 电化学阻抗(EIS)测试33-34
• 第3章 一维多孔La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(2.91)纳米管的制备及其在锂空气电池中的应用34-54
• 3.1 前言34-37
• 3.2 最佳实验条件的确定37-41
• 3.3 物化性能表征41-46
• 3.3.1 La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(2.91)前驱体的TG测试41-42
• 3.3.2 La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(2.91)材料的XRD测试42-43
• 3.3.3 La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(2.91)材料的SEM和TEM测试43-45
• 3.3.4 La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(2.91)材料的BET测试45
• 3.3.5 La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(2.91)材料的EDX测试45-46
• 3.4 电化学性能表征46-53
• 3.4.1 线性扫描伏安和循环伏安测试46-47
• 3.4.2 电池的充放电测试47-51
• 3.4.3 电化学阻抗测试51-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第4章 三维介孔钴酸铜的制备及其在锂空气电池中的应用54-70
• 4.1 前言54-55
• 4.2 物化性能表征55-62
• 4.2.1 CuCo_2O_4前驱体的TG测试55-56
• 4.2.2 KIT-6 模板的BET测试56-57
• 4.2.3 KIT-6 模板的XRD测试57-58
• 4.2.4 CuCo_2O_4材料的XRD测试58
• 4.2.5 CuCo_2O_4材料的SEM和TEM测试58-59
• 4.2.6 CuCo_2O_4材料的XPS测试59-61
• 4.2.7 CuCo_2O_4材料的BET测试61-62
• 4.3 电化学性能表征62-69
• 4.3.1 电池的循环伏安测试62
• 4.3.2 电池的充放电测试62-68
• 4.3.3 电池的电化学阻抗测试68-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第5章 三维介孔钴酸锌的制备及其在锂空气电池中的应用70-84
• 5.1 前言70-71
• 5.2 物化性能表征71-75
• 5.2.1 ZnCo_2O_4前驱体的TG测试71-72
• 5.2.2 ZnCo_2O_4材料的XRD测试72-73
• 5.2.3 ZnCo_2O_4材料的BET测试73-74
• 5.2.4 ZnCo_2O_4材料的SEM和TEM测试74
• 5.2.5 ZnCo_2O_4材料的XPS测试74-75
• 5.3 电化学性能表征75-82
• 5.3.1 电池的循环伏安测试75-76
• 5.3.2 电池的充放电测试76-81
• 5.3.3 电池的电化学阻抗测试81-82
• 5.4 本章小结82-84
• 结论84-86
• 参考文献86-101
• 攻读学位期间发表的论文与研究成果清单101-102
• 致谢102-103
• 个人简历103

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本文编号：864958