鋰二氧化碳（Li-CO₂）電池是一種環(huán)境友好的新型能量存儲體系,它不僅能夠巧妙地將減少溫室氣體二氧化碳（CO₂）排放與能源存儲結(jié)合起來,而且具有較高的理論能量密度,能夠滿足電動汽車和智能電網(wǎng)等新興科技的工作需求,是最具有發(fā)展前景的儲能系統(tǒng)之一。但是,Li-CO₂電池距離商業(yè)化應(yīng)用還有很大的差距,存在的主要問題是放電產(chǎn)物中的碳酸鋰（Li₂CO₃）是一種帶隙較寬且化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定的物質(zhì),在充電過程中不易被分解,從而導(dǎo)致過電位升高,電解液分解,電池循環(huán)壽命短等一系列問題,高效正極催化劑的開發(fā)是解決上述問題的關(guān)鍵。本論文以氧化鎳（NiO）材料作為基礎(chǔ),通過設(shè)計實驗方法制備出不同形貌結(jié)構(gòu)的正極催化劑材料,并系統(tǒng)性地研究了其對電池電化學(xué)性能的影響。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:1.通過靜電紡絲工藝結(jié)合煅燒過程制備多孔NiO納米纖維,并將其作為Li-CO₂電池的正極催化劑。當電流密度為100 m A g^-1,截止容量為1000 m Ah g

【文章來源】：鄭州大學(xué)河南省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：68 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

以P-Mn2O3/KB為正極催化劑的Li-CO2電池在第50次放電狀態(tài)下回收的Li負極（a）正面及背面的數(shù)碼照片，SEM圖像：側(cè)視圖（b）和頂視圖（前面）（c），（d）回

1緒論8點，在許多電化學(xué)儲能系統(tǒng)中作為催化劑載體、導(dǎo)電劑和電極材料，如鋰離子電池、燃料電池和超級電容器，以及Li-air電池和Li-CO2電池[56,57]。在研究初期，科研工作者將商用的碳材料SuperP用作Li-CO2電池的正極材料[58]。盡管SuperP在離子電解液中未表現(xiàn)出任何的放電容量，但其在醚類電解液中的電池容量卻較大（6062mAhg1），這說明電解液對電池性能有決定性影響[27,59]。緊接著這一結(jié)論被Zhang[60]和Liu[25]的團隊進一步證實，他們發(fā)現(xiàn)科琴黑（KB）在醚類電解液中電池放電容量也能超過1000mAhkg-1。以上結(jié)果表明，Li-CO2電池在適當?shù)纳虡I(yè)活性碳材料-電解液系統(tǒng)下是可以正常工作的。除了以上提到的商業(yè)活性碳材料以外，碳納米管和石墨烯等由于其獨特的量子尺寸效應(yīng)和表面化學(xué)狀態(tài)，使其具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，被認為是優(yōu)越的電催化劑材料。2015年，Zhang課題組首次將石墨烯引入到Li-CO2電池中[60]。石墨烯具有高導(dǎo)電性、大比表面積、高的電化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，其大的比表面積可以暴露更多的活性位點同時也能為放電產(chǎn)物提供足夠多的存儲空間，因此可充電Li-CO2電池在電流密度為50mAg-1時表現(xiàn)出高的放電比容量（14774mAhg-1）和穩(wěn)定的循環(huán)性能（20次）（圖1.5）。同年，Zhang等人又將CNTs用作Li-CO2電池的正極材料[61]。同等條件下，雖然電池的放電容量略低（8379mAhg-1），但其循環(huán)穩(wěn)定性有顯著提高（100mAg-1條件下循環(huán)超過20圈）。作者認為，電池性能的改善主要是由于CNTs的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。首先，圖1.5（a）石墨烯SEM圖，（b）石墨烯正極的Li-CO2電池在CO2及Ar氣氛中的放電曲線，（c，d）電池在電流密度分別為50mAg-1和100mAg-1截止容量為1000mAhg-1時的循環(huán)圖。

1緒論12物的形成。隨后，基于IrO2的高催化活性，Mao等人設(shè)計了一種超細IrO2納米顆粒修飾直接生長在碳布基底上的層狀δ-MnO2（IrO2/δ-MnO2）的CO2正極[53]。作者提出，IrO2納米粒子具有比δ-MnO2納米片更高的催化活性，因此在放電過程開始時，就成為放電產(chǎn)物成核和生長的活性位點。在后續(xù)的放電反應(yīng)中，2Dδ-MnO2起到了協(xié)同催化作用，為后續(xù)放電產(chǎn)物的形成提供了大量的活性中心。因此，協(xié)同催化效應(yīng)IrO2/δ-MnO2復(fù)合材料中的IrO2和2Dδ-MnO2導(dǎo)致了薄層非晶態(tài)Li2CO3的保形生長，使Li-CO2電池具有良好的可逆性。雖然貴金屬的研究大大降低了Li-CO2電池的過電位，但是對于正極表面放電產(chǎn)物的成核和生長機理尚不清楚。1.4.3.3過渡金屬及其氧/碳化物催化劑材料雖然Ru和Ir等貴金屬對CO2的氧化還原有較好的催化活性，當被用作Li-CO2電池的正極催化劑可有效地降低電池的過電位，增加電池的循環(huán)穩(wěn)定性等，但是，由于其昂貴的價格阻礙了其廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)低成本、高催化活性的催化劑迫在眉睫。而過渡金屬由于其多價性，在電催化領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的活性，有望取代貴金屬[74-76]。圖1.8NiO-CNTs的SEM（a）和TEM（b）圖，（c）NiO-CNTs或CNTs正極Li-CO2電池的CV曲線，具有NiO-CNT正極的Li-CO2電池在50mAg-1電流密度下的放電-充電曲線（d），（e）50mAg-1或（f）100mAg-1時的循環(huán)性能。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Li-CO2電池機理、催化劑和性能研究進展（英文）[J]. 李翔,楊思勰,馮寧寧,何平,周豪慎.  催化學(xué)報. 2016(07)



本文編號：3336342