發(fā)布時(shí)間：2020-07-15 05:55

【摘要】：鋰空氣電池因?yàn)槠渚哂袠O高的理論比容量和理論比能量,環(huán)境友好,被認(rèn)為是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ膬?chǔ)能電池�，F(xiàn)階段對(duì)鋰空氣電池的研究仍處在初級(jí)階段,電池的倍率性能、循環(huán)性能和能量效率等都需要提升,同時(shí)還存在電解液揮發(fā),負(fù)極金屬鋰的腐蝕等問題,研究和開發(fā)高效的正極催化劑材料對(duì)提升鋰空氣電池性能具有關(guān)鍵作用。過渡金屬氧化物具有ORR反應(yīng)活性高、成本低廉、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于鋰空氣電池正極催化劑,但其較差的OER反應(yīng)活性還需要進(jìn)一步提升;貴金屬及其氧化物具有較高的OER反應(yīng)活性;碳材料具有良好的導(dǎo)電性、巨大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用作正極集流體。在本文的研究中,通過一步水熱法在多壁碳納米管上均勻負(fù)載二氧化釕和二氧化錳,通過電化學(xué)沉積法在碳布上原位生長(zhǎng)二氧化錳和釕,通過XRD、Raman、TEM、SEM、XPS等測(cè)試方法對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征。隨后,用恒流充放電測(cè)試、循環(huán)伏安測(cè)試和交流阻抗測(cè)試對(duì)上述材料進(jìn)行了鋰空氣電池的電化學(xué)性能分析,并且通過充放電之后電極表面放電產(chǎn)物的形貌和成分分析,探究在電極材料上負(fù)載貴金屬氧化物對(duì)材料催化性能的影響。具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)通過控制一步水熱法的反應(yīng)條件達(dá)到控制材料的形貌。分別考察了水熱時(shí)間,水熱溫度和原料配比對(duì)材料形貌的影響;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)水熱溫度為90℃,水熱時(shí)間為12 h,原料KMnO_4:RuCl_3質(zhì)量比為40:3時(shí),制備材料為二氧化釕和二氧化錳納米片均勻負(fù)載的碳納米管。電化學(xué)測(cè)試表明,所制備材料在100 mA g~(-1)的電流密度下放電容量高達(dá)20910 mAh g~(-1);恒流限電壓測(cè)試表明材料具有較好的倍率性能以及高達(dá)94.5%的庫(kù)倫效率;恒電流循環(huán)測(cè)試表明材料具有較好的循環(huán)性能:限定容量為1000 mAh g~(-1)時(shí),在100 mA g~(-1)下可以穩(wěn)定循環(huán)90圈,在200 mA g~(-1)下可以穩(wěn)定循環(huán)94圈,在500 mA g~(-1)下可以穩(wěn)定循環(huán)100圈;在1A g~(-1)下可以穩(wěn)定循環(huán)120圈;限容量為500 mAh g~(-1)時(shí),在50 mA g~(-1)下可以穩(wěn)定循環(huán)110圈,同時(shí)其過電位僅為0.8 V,能量效率達(dá)到了78%。循環(huán)伏安曲線對(duì)比表明加入二氧化釕后,材料具有更高的ORR活性和OER活性;通過對(duì)放電和再充電后極片的分析,確認(rèn)放電產(chǎn)物主要為過氧化鋰,同時(shí)表明材料的三維結(jié)構(gòu)具有較好的儲(chǔ)存過氧化鋰的能力,正極催化劑具有良好的催化過氧化鋰分解的能力。最后考察了材料在不同電解液中的循環(huán)性能,結(jié)果表明,電解液添加劑可以顯著降低材料首圈的過電位,但對(duì)于循環(huán)性能的提升效果有限。(2)通過控制電化學(xué)沉積反應(yīng)條件來(lái)控制材料形貌。主要考察了沉積電流密度,沉積電壓對(duì)材料形貌的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在電流密度為1、2、5和10 mA cm~(-2)下,二氧化錳均為納米顆粒狀;在0.5 V和0.75 V的沉積電壓下,二氧化錳表現(xiàn)為納米顆粒狀,在1.0 V和1.25 V的沉積電壓下,表現(xiàn)為納米片狀;通過恒流充放電測(cè)試,表明1.0 V下所制備材料具有較低的過電位;通過欠電位沉積Ru之后,二氧化錳由納米片轉(zhuǎn)化為納米線。通過循環(huán)伏安曲線表明Ru的加入提升了ORR和OER反應(yīng)活性;恒電流循環(huán)測(cè)試表明材料具有較好的循環(huán)性能:限容量為1000 mAh g~(-1)時(shí),在200 mA g~(-1)和500 mA g~(-1)下分別可以穩(wěn)定循環(huán)110圈和160圈;限容量為500 mAh g~(-1)時(shí),在100 mA g~(-1)下可以穩(wěn)定循環(huán)175圈。充分證明了無(wú)粘結(jié)劑正極可以大幅提升材料的循環(huán)性能。通過對(duì)放電充電后極片的分析,放電產(chǎn)物主要為過氧化鋰,同時(shí)表明材料的三維結(jié)構(gòu)具有較好的儲(chǔ)存過氧化鋰的能力,正極催化劑具有良好的過氧化鋰分解能力。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O643.36;TM912
【圖文】：

圖 1.1 不同類型電池的比能量密度及電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程Fig. 1.1 Specific energy of different batteries and their potential driving ranges如圖1.1所示，與其他的電池體系相比，鋰空氣電池具有最高的理論比能量密度，將現(xiàn)階段燃油車的油箱位置換成電池，理論上鋰空氣電池單次充電續(xù)航里程達(dá)到550 km，跟汽油相當(dāng)。鋰空氣電池在電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能方面的良好應(yīng)用前景引發(fā)了產(chǎn)業(yè)界和科研人員的高度關(guān)注。

圖 1.2 鋰空氣電池的分類和結(jié)構(gòu)示意圖[7]Fig. 1.2 Four different architecture of Li-Air batteries鋰空氣電池主要由空氣正極、電解質(zhì)和金屬鋰負(fù)極組成。鋰空氣電池根質(zhì)的不同分為四大類，分別是有機(jī)電解液體系鋰空氣電池，水系電解液氣電池，水系-有機(jī)混合電解液體系鋰空氣電池和固體電解質(zhì)體系鋰空氣水系電解液和水系-有機(jī)電解液混合體系[9, 10]鋰空氣電池工作原理為：放在空氣電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，得到電子被還原成 OH-，再與電解液生反應(yīng)，生成可溶于水系電解液的 LiOH，充電過程中，氫氧化鋰分解產(chǎn)過電解液后得到電子沉積在負(fù)極，分解生成的氧氣通過正極孔道釋放。目前應(yīng)用前景最好的是制備過程簡(jiǎn)單的有機(jī)電解液體系，大多數(shù)研究都體系。正極在放電過程中發(fā)生氧還原反應(yīng)（ORR，Oxygen Reduction React原理是氧氣通過空氣電極，得到電子生成 O2-和 O22-，在電解液與正極界應(yīng)，與負(fù)極鋰溶解產(chǎn)生、通過電解液傳遞的鋰離子結(jié)合生成不溶于電解性較差的固體過氧化鋰（Li2O2）和其他副產(chǎn)物，沉積在空氣正極的孔道

圖 1.3 現(xiàn)階段鋰空氣電池所面臨的挑戰(zhàn)Fig. 1.3 General challenges of current Li-O2battery有機(jī)體系鋰空氣電池反應(yīng)機(jī)理研究如圖 1.4 所示，在鋰空氣電池的充放電過程中，氧氣、電解液和正極材電極的孔道內(nèi)部會(huì)形成一個(gè)氣液固的三相界面，ORR 和 OER 就在三相界。通過文獻(xiàn)總結(jié)，鋰空氣電池中可能存在的反應(yīng)機(jī)理如下所示：總反應(yīng)：2 2 22 Li+ O Li O（1.1）負(fù)極：+ -Li Li + e（1.2）正極：- -2 2O + e O（1.3）+ -2 2Li + O LiO（1.4）

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 姜小毛;李芳芳;;我掌握高純氧化鋰制備新工藝 百噸級(jí)生產(chǎn)線建成投產(chǎn)[J];中國(guó)石油和化工;2014年03期

2 楊風(fēng)春;氧化鋰的研制[J];新疆有色金屬;1999年03期

3 D.J.金斯諾恩;劉凡;;玻璃工業(yè)中的氧化鋰[J];新疆有色金屬;1988年04期

4 ;江西宜春出臺(tái)氧化鋰資源管理辦法[J];中國(guó)金屬通報(bào);2010年10期

5 張勝利;張利波;宋延華;馮麗婷;陳小娜;;鋰離子電池層狀氧化鋰錳的合成及摻雜改性研究進(jìn)展[J];鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào);2006年02期

6 袁祖輝,高旭東,翁志明,高建敏;鋰礦物中氧化鋰對(duì)中堿玻璃性能影響的研究[J];玻璃纖維;1993年03期

7 樊粉霞;徐寶強(qiáng);戴永年;劉永成;楊斌;劉大春;;真空鐵熱還原氧化鋰制備金屬鋰的熱力學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)初探[J];真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào);2012年12期

8 虞寶煜;合成過氧化鋰的熱分解行為研究[J];稀有金屬;1992年02期

9 谷琴;吳君;馬秀軍;;火焰光度法測(cè)定陶瓷及耐火材料中氧化鋰含量[J];江蘇陶瓷;2019年02期

10 彭斌,黃可龍,陳振華,黃培云;鋰離子電池正極材料非計(jì)量氧化鋰錳的缺陷模型[J];金屬學(xué)報(bào);1999年07期

相關(guān)會(huì)議論文 前2條

1 張宇;袁中偉;晏太紅;鄭衛(wèi)芳;張生棟;;氯化鋰熔鹽中八氧化三鈾電解還原機(jī)理研究[A];中國(guó)核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告（第四卷）——中國(guó)核學(xué)會(huì)2015年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集第6冊(cè)（核化學(xué)與放射化學(xué)分卷、核化工分卷）[C];2015年

2 鄭綿平;劉文高;張肇新;向軍;;西藏鹽湖研究[A];中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院文集（1981）[C];1983年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 記者 姜小毛 通訊員 李芳芳;我掌握高純氧化鋰制備新工藝[N];中國(guó)化工報(bào);2014年

2 首席記者 彭文輝;我市氧化鋰儲(chǔ)量再增55萬(wàn)噸[N];宜春日?qǐng)?bào);2011年

3 記者 鄒海斌;宜春氧化鋰儲(chǔ)量再增55萬(wàn)噸[N];江西日?qǐng)?bào);2011年

4 李發(fā)龍;“亞洲鋰都”發(fā)展提速[N];中國(guó)礦業(yè)報(bào);2010年

5 實(shí)習(xí)記者 劉曉曄　本報(bào)記者 原小瑛;我們用的材料安全有保障[N];中國(guó)化工報(bào);2010年

6 陳毓珊;贛鋒鋰業(yè)：靠科技和人才創(chuàng)天下[N];中國(guó)礦業(yè)報(bào);2016年

7 李慧;澳新開采技術(shù)促鋰原料生產(chǎn)[N];中國(guó)能源報(bào);2015年

8 龍雷君 宜豐縣人民政府副縣長(zhǎng);做好“四篇”文章 實(shí)現(xiàn)趕超發(fā)展[N];宜春日?qǐng)?bào);2010年

9 每經(jīng)記者 李婷;眾和股份實(shí)控人2800萬(wàn)股遭司法強(qiáng)制賣出[N];每日經(jīng)濟(jì)新聞;2016年

10 記者 鄭榮;四川甲基卡找礦再獲突破[N];中國(guó)國(guó)土資源報(bào);2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 羅從山;錳釕雙金屬催化劑作鋰氧電池正極的性能研究[D];中國(guó)石油大學(xué)(北京);2018年

2 汪文哲;氧化鋰基吸收劑高溫二氧化碳吸收的實(shí)驗(yàn)研究[D];華中科技大學(xué);2011年

3 樊粉霞;真空鐵熱還原制備金屬鋰的研究[D];昆明理工大學(xué);2012年

4 張世鏢;熔鹽電解法制備鋁鋰合金的研究[D];東北大學(xué);2014年

5 LOEMBE Louis-Marie（馬里）;中溫SPS法制備致密化Si_3N_4/LiAlSiO_4復(fù)合材料[D];武漢理工大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2756078