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cus和NiCo2S4纳米材料的制备及其在锂空气电池上的应用研究

CuS和NiCo2S4纳米材料的制备及其在锂空气电池上的应用研究

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作者：赵艳雁厦门大学

学位级别：硕士

近年来,传统化石能源在促进经济快速发展的同时引起的环境污染和能源匮乏等问题日益加剧。因此,开发出满足社会需求的清洁能源及其相应的存储和转化技术成为现阶段的重要发展方向。锂空气电池(Li-Airbattery,LAB),拥有现有锂离子电池5... 详细信息

近年来,传统化石能源在促进经济快速发展的同时引起的环境污染和能源匮乏等问题日益加剧。因此,开发出满足社会需求的清洁能源及其相应的存储和转化技术成为现阶段的重要发展方向。锂空气电池(Li-Airbattery,LAB),拥有现有锂离子电池5～10倍的理论能量密度,受到世界各地研究人员的广泛关注,被认为是替代锂离子电池的下一代新的二次电池。然而,目前锂空气电池还存在电解液不稳定,能量效率低、倍率性能较差、循环寿命较短以及充放电过电势过高等问题,导致实际容量与理论容量相差较大。研究发现,上述的这些问题绝大部分决定于正极催化剂的界面反应,因此高效正极催化剂的研发对提升锂空气电池的性能至关重要。其中,过渡金属硫族化合物由于其特殊的能带结构与外层电子结构,在锂空气电池充放电过程中,对电化学反应的中间产物有特殊的吸附作用。同时由于价格低廉、原料丰富且易于制备,过渡金属硫化物已成为正极催化剂的研究热点。本文采用化学法合成了 cus纳米材料,并对其进行了石墨烯复合,制备了 cus@rgo纳米复合材料;此外还制备了双金属硫化物NiC02S4纳米材料。系统的研究了这些催化剂材料作为锂空气电池正极的电化学性能。本论文的主要研究结果如下:1、不同形貌cus纳米材料的制备及其电化学性能的研究本实验采用简单的,无模板且温和的溶液化学法,在水浴加热条件下合成了不同形貌的硫化铜(cus)纳米材料。在对管状和片状的cus纳米材料的锂空气电池电化学性能测试中,片状的cus纳米材料具有较低的首圈充电电压平台,以及较好的循环稳定性。在限制容量为500 mAh g-1时,在200 mA g-1的电流密度下片状的cus纳米材料能循环73圈,管状cus纳米材料循环50圈。由于片状cus纳米材料提供了更大的比表面积,能使电解液更好地浸润,提供更多催化活性位点及放电产物的存储空间,其各项电化学性能都优于管状cus纳米材料。2、cus@rgo纳米复合材料的制备及其电化学性能的研究用石墨烯水溶液作为反应溶剂的组成部分,在水浴加热条件下,一步合成了 cus@GO前驱体,经水热还原后得到cus@rgo纳米复合材料。由于石墨烯的高导电性可以促进电子在催化剂分子,放电产物和电解液之间的传输。同时,石墨烯纳米片的大比表面积可以为不溶性放电产物Li202提供高密度的沉积活性位点,避免阴极堵塞。因此,对cus纳米材料进行石墨烯包覆后,cus@rgo纳米复合材料的电化学性能得到了大幅度提升。3、NiCoS纳米材料的制备及其电化学性能的研究通过以PEG化的深共晶溶剂(DES)为反应溶剂,一步合成了 NiCoS纳米材料。将其进行的电化学性能测试,结果显示NiCoS纳米材料作为锂空气电池正极催化剂具有较低的首圈充放电过电位,以及较好的循环稳定性。这归因于NiCoS纳米材料具有相对较高的比表面积、可以提供充足的活性位点以及促进电解质和氧气的扩散,从而提高OER催化活性和循环稳定性。

关键词： cus纳米材料 cus@rgo纳米复合材料 NiCo2S4纳米材料锂空气电池正极催化剂

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