本文關鍵詞：石墨烯和二氧化錳在鋰空氣電池中的電化學性能研究

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【摘要】：鋰空氣電池作為一種具有極高理論能量密度的能量存儲系統(tǒng),在電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)領域具有非常廣闊應用前景。但是鋰空氣電池的發(fā)展仍然面臨著一些嚴峻的挑戰(zhàn),電池反應的氧還原和氧析出動力學過程緩慢,導致電池的能量效率低下。設計出多孔結構正極材料和雙功能催化劑能有效提高電池的電化學性能。在本文中,制備出了獨特的多孔結構石墨烯和具有雙功能催化性能的二氧化錳催化劑作為鋰空氣電池的正極材料,主要研究內容如下：以高溫熱還原的方法制備了熱膨脹石墨烯(TEGO).通過XRD、SEM進行形貌表征。測試結果表明,TEGO具有石墨烯片狀結構。BET測得TEGO比表面積為268 m2g~(-1)。充放電測試結果表明,在電流密度100mAg1,電壓范圍2.0-4.5V條件下,TEGO首次放電比容量為9223 mAhg~(-1),充電比容量為6259 mAhg~(-1)。在限定比容量為1000mAhg~(-1)條件下能穩(wěn)定循環(huán)29次且放電截止電壓高于2.0 V。以微波還原的方法制備出了微波膨脹石墨烯(MEGO)。通過XRD、SEM進行形貌表征。測試結果表明,MEGO具有更好的石墨烯片層孔道結構。BET測得MEG O比表面積為337 m2g~(-1)。充放電測試結果表明,在電流密度100 mAg~(-1),電壓范圍20-4.5 V條件下,MEGO首次放電比容量為13862 mAhg~(-1),充電比容量為11811mAhg~(-1)。在限定比容量為1000mAh g~(-1)條件下能穩(wěn)定循環(huán)53次且放電截止電壓高于2.0 V。與TEGO相比MEGO展現出更高的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。這是因為MEGO具有更好的片層孔道結構,有利于O_2運輸,因而具有更好的電化學性能。以水熱法制備了純MnO_2。通過XRD、SEM進行形貌表征。結果表明,水熱法制備出的純MnO_2具有良好的晶體形貌和納米花狀結構。充放電測試結果表明,在電流密度100mAg~(-1),電壓范圍2.0-4.5V條件下,MEGO+MnO_2首次充放電比容量為15473 mAhg~(-1),充電比容量為15440 mAhg~(-1).在限定比容量為1000mAhg~(-1)條件下能穩(wěn)定循環(huán)73次且放電截止電壓高于2.0 V。利用KMnO4與酸性C的反應制備了MEGO@MnO_2復合物。通過XRD、Raman、SEM進行形貌表征。結果表明,MEGO@MnO_2具有較好的晶體形貌,Mn02均勻分布在MEGO的片層上。充放電測試結果表明,在電流密度100 mAg~(-1),電壓范圍2.0-4.5 V條件下,MEGO@MnO_2首次放電比容量為17101 mAhg~(-1),充電比容量為16454 mAhg~(-1)。在限定比容量為1000 mAhg~(-1)條件下能穩(wěn)定循環(huán)96次且放電截止電壓高于2.0 V。與將MnO_2和MEGO機械混合相比,MEGO@MnO_2復合物過電勢更低,容量更高,限定比容量為1000 mAhg~(-1)循環(huán)穩(wěn)定性更好。這是因為MnO_2均勻分散在MEGO的孔道上,有利于02和電解液的運輸,能提供更多的反應活性位點,使MEGO@MnO_2表現出更好的電化學性能。
【關鍵詞】：鋰空氣電池 石墨烯 催化劑 二氧化錳
【學位授予單位】：華中師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.41;O646
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-25
• 1.1 引言11
• 1.2 鋰空氣電池的優(yōu)勢11-13
• 1.3 鋰空氣電池簡介13-16
• 1.3.1 水性電解液體系鋰空氣電池13-14
• 1.3.2 有機電解液體系鋰空氣電池14
• 1.3.3 混合電解液體系鋰空氣電池14-15
• 1.3.4 全固態(tài)電解質體系鋰空氣電池15-16
• 1.4 鋰空氣電池研究進展16-22
• 1.4.1 鋰空氣電池空氣正極的研究16-18
• 1.4.2 鋰空氣電池催化劑的研究18-20
• 1.4.3 鋰空氣電池電解液的研究20-21
• 1.4.4 鋰空氣電池的水透氧膜的研究21-22
• 1.5 鋰空氣電池面臨的問題與挑戰(zhàn)22-23
• 1.6 本論文研究的意義與內容23-25
• 第二章 實驗試劑、儀器和分析測試方法25-30
• 2.1 主要實驗試劑25-26
• 2.2 主要實驗儀器26-27
• 2.3 材料主要的物理表征測試方法27-28
• 2.4 鋰空氣電池空氣正極制備與電池組裝方法28-29
• 2.5 鋰空氣電池電化學性能測試方法29-30
• 第三章 石墨烯的制備及其在鋰空氣電池中的電化學性能研究30-40
• 3.1 引言30-31
• 3.2 熱膨脹石墨烯(TEGO)和微波膨脹石墨烯(MEGO)的制備31-32
• 3.2.1 氧化石墨(GO)的制備31
• 3.2.2 熱膨脹石墨烯(TEGO)的制備31-32
• 3.2.3 微波膨脹石墨烯(MEGO)的制備32
• 3.3 兩種石墨烯的物理表征及分析32-35
• 3.4 鋰空氣電池性能測試及分析35-38
• 3.5 本章小結38-40
• 第四章 二氧化錳在鋰空氣電池中的催化性能研究40-52
• 4.1 引言40-41
• 4.2 水熱法制備二氧化錳納米材料的表征及分析41-45
• 4.2.1 水熱法制備純二氧化錳41
• 4.2.2 水熱法制備的純二氧化錳物理表征及分析41-43
• 4.2.3 鋰空氣電池性能測試及分析43-45
• 4.3 石墨烯-二氧化錳復合物材料的制備及表征分析45-49
• 4.3.1 石墨烯-二氧化錳復合物材料的制備45
• 4.3.2 石墨烯-二氧化錳復合物材料的物理表征及分析45-47
• 4.3.3 鋰空氣電池性能測試及分析47-49
• 4.4 兩種方法制備的二氧化錳催化性能比較49-50
• 4.5 本章小結50-52
• 結論與展望52-54
• 參考文獻54-64
• 攻讀碩士學位期間的研究成果64-65
• 致謝65

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