本文關鍵詞：含貴金屬四氧化三鈷作為鋰空氣電池正極催化劑的性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在眾多的二次能源中,鋰空氣電池因為具有較高的理論能量密度,被人們寄予厚望。但是,目前的鋰空氣電池仍然存在嚴重的極化現象、電解液的揮發(fā)及分解、循環(huán)性能不理想、功率性能不理想及金屬鋰負極的腐蝕等現象。為了解決以上問題,合適的正極催化劑材料被認為是最有效,最可實現,也是最早開始的研究之一。本文工作的主要目的是尋找合適的正極催化劑,以優(yōu)化放電產物的形成和分解為突破口,改善鋰空氣電池的性能。在本文的研究中,我們設計并且用水熱法合成了生長在泡沫鎳上的納米線形貌的C0304材料以及Pt/Co3O4材料。用XRD、XPS、SEM、TEM等測試方法對材料的結構和形貌進行了表征。隨后,用恒流充放電測試、循環(huán)伏安測試和交流阻抗測試對上述材料進行了鋰空氣電池的催化性能分析,并且通過充放電之后電極表面放電產物的形貌和成分觀察,探究在電極材料上負載貴金屬,以及在電解液中分散貴金屬顆粒對C0304材料催化性能的影響。具體研究內容如下：(1)通過對水熱合成的實驗確定合成含貴金屬的納米C0304材料的方法。分別從水熱反應的時間、退火的溫度、反應前驅體的濃度三個方面進行了原位制備含貴金屬的納米C0304材料的水熱合成研究。研究表明,120℃水熱條件下,5h的反應時間對C0304材料的合成最為適宜,而退火則為400℃的溫度最為合適。通過控制反應條件,我們合成了形貌均一的線狀C0304納米材料。實驗證實了水熱反應法對于C0304材料的均勻合成是一種有效的方法。(2)研究了生長在泡沫鎳上的Pt/Co3O4材料的電化學性能。電化學測試表明,Pt/Co3O4作為正極催化劑的鋰空氣電池可以在500 mAh g-1的恒容測試下維持55次的穩(wěn)定循環(huán),Pt在電極材料的加入對其電化學性能,尤其是充電的過電位有明顯的改善。通過對循環(huán)過程充放電空氣電極形貌和結構的分析,我們明確了放電過程主要放電產物是Li202,并提出貴金屬Pt的加入能夠誘導Li202薄片的生長,杜絕大顆粒放電產物的出現,從而緩解和延遲了電極的鈍化,使Li202在較低電位就能完全分解,減少副反應的發(fā)生的機制。(3)通過在電解液中加入鈀,將四氧化三鈷(固相中)和鈀(電解液中)作為鋰空氣電池的雙效催化劑進行研究,從而改善鋰空氣電池的性能。電化學測試表明,與C0304在普通的TEGDME電解液中作催化劑的鋰空氣電池相比,在Pd/TEGDME中測試的鋰空氣電池的電化學性能有了明顯的改善。在電解液中加入Pd之后,鋰空氣電池可以在500 mAh g-1的恒容測試下維持超過75次的穩(wěn)定循環(huán)。通過對循環(huán)過程充放電空氣電極形貌和結構的分析,我們得出Pd的加入使放電產物的形貌更加均勻。同時通過面掃能譜分析,我們發(fā)現本來分布在電解液中的Pd,在經過的放電過程中,一部分沉積到了電極材料的表面。而當又進行了充電反應之后,又重新回到了電解液中,參與下一步放電反應的進行。這說明Pd充分參與了液相部分以及固相部分的催化反應,對電池的性能有一定的貢獻。
【關鍵詞】：鋰空氣電池 正極 催化劑 雙相催化 Co_3O_4 Li_2O_2 Pt Pd
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.41
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-28
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 鋰空氣電池簡介13-15
• 1.2.1 鋰空氣電池的發(fā)展歷史13-14
• 1.2.2 鋰空氣電池的工作原理14-15
• 1.3 鋰空氣電池的優(yōu)點以及面臨的挑戰(zhàn)15-17
• 1.3.1 鋰空氣電池的優(yōu)點15-16
• 1.3.2 鋰空氣電池面臨的挑戰(zhàn)16-17
• 1.4 鋰空氣電池研究中的關鍵性問題和研究進展17-25
• 1.4.1 過電位18-19
• 1.4.2 催化劑19-23
• 1.4.3 氧氣的擴散與溶解23-24
• 1.4.4 電解液24-25
• 1.5 選題依據和研究思路25-28
• 第二章 實驗設備與方法28-36
• 2.1 實驗試劑和設備28-29
• 2.2 材料的合成29-31
• 2.2.1 在泡沫鎳上生長的四氧化三鈷的制備29-30
• 2.2.2 在泡沫鎳上生長的負載鉑的四氧化三鈷的制備30
• 2.2.3 在泡沫鎳上生長的負載鈀的四氧化三鈷的制備30-31
• 2.3 材料的物化表征31-32
• 2.3.1 X射線衍射(XRD)物相分析31
• 2.3.2 材料表面形貌掃描電子顯微分析(SEM)31
• 2.3.3 透射電子顯微分析(TEM)31
• 2.3.4 X射線光電子能譜分析(XPS)31
• 2.3.5 比表面積分析(BET)31-32
• 2.4 電池的制作與測試32-33
• 2.4.1 鋰空電池測試模具32-33
• 2.4.2 鋰空紐扣電池33
• 2.5 材料電化學性能測試33-36
• 2.5.1 恒流充放電測試33-34
• 2.5.2 循環(huán)伏安測試34
• 2.5.3 電化學交流阻抗測試34-36
• 第三章 含貴金屬四氧化三鈷材料的制備與表征36-52
• 3.1 引言36-37
• 3.2 四氧化三鈷的結構37
• 3.3 水熱法制備四氧化三鈷材料37-43
• 3.3.1 水熱法制備四氧化三鈷材料的物相分析38-39
• 3.3.2 水熱法制備四氧化三鈷材料的形貌控制39-43
• 3.4 水熱法制備含鉑的四氧化三鈷材料43-47
• 3.4.1 水熱法制備含鉑四氧化三鈷材料的物相分析43-44
• 3.4.2 水熱法制備含鉑的四氧化三鈷材料的SEM形貌分析44-46
• 3.4.3 水熱法制備含鉑的四氧化三鈷材料的TEM分析46-47
• 3.5 水熱法制備含鈀的四氧化三鈷材料47-50
• 3.5.1 水熱法制備含鈀四氧化三鈷材料的物相分析47-48
• 3.5.2 水熱法制備含鈀的四氧化三鈷材料的SEM形貌分析48-50
• 3.6 本章小結50-52
• 第四章 含鉑的Co_3O_4材料在鋰空氣電池中的性能研究52-64
• 4.1 引言52
• 4.2 材料設計思路52-54
• 4.3 四氧化三鈷材料作為鋰空氣電池正極催化劑54-55
• 4.4 含鉑的四氧化三鈷材料作為鋰空氣電池正極催化劑55-57
• 4.5 放電后Pt/Co_3O_4的形貌與結構分析57-61
• 4.6 添加鉑誘導過氧化鋰生長的機理研究61-62
• 4.7 本章小結62-64
• 第五章 電解液加Pd的Co_3O_4在鋰空氣電池中的性能研究64-74
• 5.1 引言64
• 5.2 材料設計思路64-66
• 5.3 含鈀的四氧化三鈷材料作為鋰空氣電池正極催化劑66-67
• 5.4 電解液中加鈀的四氧化三鈷材料作為鋰空氣電池正極催化劑67-69
• 5.4.1 分散Pd的TEGDME電解液67-68
• 5.4.2 Pd/TEGDME中Co_3O_4在鋰空氣電池中的性能68-69
• 5.5 放電后在含有Pd的TEGDME的電解液中Co_3O_4的形貌分析69-71
• 5.6 電解液中添加鈀對鋰空氣電池性能影響的原因探究71-72
• 5.7 本章小結72-74
• 第六章 總結74-76
• 參考文獻76-86
• 致謝86-88
• 個人簡歷88-90
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術成果90

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