锂空气电池三维自支撑氧化物正极的制备及电化学性能研究

作     者：喻其林 

作者单位：北京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙克宁

授予年度：2016年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：锂空气电池 Co3O4 Fe3O4 网状介孔 无碳 双催化剂 

摘      要：锂空气电池具有极高的理论比容量和理论比能量,环境友好且可多次循环使用,被认为是一种极具发展潜力的电源体系。目前对锂空气电池的研究仍处在初级阶段,电池的循环性能和能量转换效率等都需要提升,而研究和开发高效的正极催化剂材料被认为对锂空气电池性能的提高有关键作用。本文主要研究了几种自支撑氧化物锂空气电池正极材料的制备及其电化学性能。通过CVD法、水热法和电化学聚合法分别制备得到三维石墨烯、三维石墨烯-CoO及三维石墨烯-CoO-PPy电极。SEM、XRD、能谱等测试结果表明,得到了高品质的三维石墨烯,呈网络状的CoO纳米阵列,并在三维石墨烯-CoO表面成功负载了PPy。分别将三维石墨烯、三维石墨烯-CoO及三维石墨烯-CoO-PPy电极装配成锂空气电池。首次放电比容量分别为731.3 mAh g-1、2384.5 mAh g-1和498 mAh g-1,其中三维石墨烯-CoO电极的锂空气电池,在500 mAh g-1下限容测试,稳定循环30次。通过水热法在泡沫镍表面原位生长制备得到无碳无粘结剂的网状CoO纳米阵列复合电极(Ni@CoO-WNFs)。制备得到的CoO纳米纤维阵列相互交织,构成特殊的网络状多孔的介孔结构,且晶体结构良好。Ni@CoO-WNFs复合电极作为正极装配成锂空气电池进行电化学性能测试,首次放电容量为17118 mAh g-1,在限容500 mAh g-1的条件下,稳定循环128次;限容1000 mAh g-1时,稳定循环超过61次。通过水热法原位生长制备得到无碳无粘结剂的CoO纳米线阵列的电极(Ni@CoO-NWs),在Ni@CoO-WNFs电极表面电化学聚合沉积PPy得到Ni@CoO-WNFs-PPy复合电极。SEM和XRD等测试表面,前者具有良好的CoO晶型,纳米线阵列均匀分布构成相互间隔的线丛结构;后者PPy填补了Ni@CoO-WNFs材料的网状介孔孔洞,遮蔽了CoO活性物质。分别将Ni@CoO-NWs和Ni@CoO-WNFs-PPy复合电极材料装配成锂空气电池,首次放电比容量分别为2396.4和1057 mAh g-1。限定充放电比容量为500 mAh g-1时,分别可以稳定循环13和14次。通过水热法原位生长制备得到无碳无粘结剂的FeO纳米片阵列电极(Ni@FeO-WNPs)。SEM和XRD等测试结果表明,FeO晶相良好,由纳米片构成的网格结构均匀且稳定地负载于泡沫镍上,片与片之间形成大量介孔。将此复合电极作为正极装配成锂空气电池,首次放电比容量为1955 mAh g-1,在限容500 mAh g-1的情况下,电池可以稳定循环21次。