不同形貌Co3O4的Li-O2电池正极催化性能及超级电容性能研究

摘要

锂-空气电池因具有超高比能量而成为近几年来研究迅速升温的一种新型化学电源。目前面临的最大问题是充放电过电位大以及循环寿命短。研究表明高效的正极催化剂可缓解上述问题。过渡金属（如Mn、Fe、Co、Ni等）氧化物表现出较好的催化活性，且成本较低、环境友好，因而引起广泛的研究。另一化学电源——超级电容器因兼具高比能量和大功率密度而受到重视。用金属氧化物作为电极材料可提供较大的法拉第赝电容，然而目前其循环寿命和大电流工作性能还不能满足实际需要。电极材料作为上述两种化学电源的关键部分，其形貌、结构均可能引起电化学性能的差异。本论文即从Co3O4的形貌着手，探索其对锂-空气电池正极催化性能的影响，同时通过优化材料的结构形貌来实现超级电容性能的提升。
　　本文选择在上述两个领域中均表现出优良性能的Co3O4体系作为研究对象。采用水热-热分解法，在泡沫镍上原位制备了棒状和花瓣状两种形貌的四氧化三钴(Co3O4/Ni)。不使用表面活性剂时，获得直径为50~200纳米、长度为1~3um的棒状 Co3O4/Ni。使用十二烷基磺酸钠(SDS)辅助水热反应，可获得花瓣状Co3O4/Ni，其由厚度小于10nm、长宽大于2um的纳米片组成。不同SDS用量下制备的材料形貌相似，均为分散均匀的花瓣状Co3O4/Ni。
　　Li-O2电池正极催化性能测试和三电极体系的超级电容性能测试显示：
　　①作为Li-O2电池正极催化剂时，棒状和花瓣状Co3O4/Ni的首圈放电平台电压相似，平均放电电压约2.83V，说明两种材料对氧还原反应的催化活性相当。然而两者的比容量和析氧反应催化性能各占优劣：比容量方面，棒状Co3O4/Ni的放电比容量(1492mAh/g)高于花瓣状Co3O4/Ni(1219mAh/g)；析氧反应催化活性方面，则是花瓣状Co3O4/Ni更好，其充电平均电压比棒状Co3O4/Ni低60-90mV。此外，在一定SDS用量范围内(0.2g到0.6g)制备的花瓣状Co3O4/Ni的放电比容量变化不大(1219-1242mAh/g)。当SDS用量增大到0.8g时，材料的比容量才有明显降低(983mAh/g)。说明Co3O4的结晶度在一定范围内对比容量的影响不明显。
　　②作为超级电容器电极时，棒状Co3O4/Ni的比电容(539F/g)远低于花瓣状Co3O4/Ni(1240-2671F/g)，说明花瓣状结构的活性位点更多。调控表面活性剂得到不同结晶度的花瓣状Co3O4/Ni的比电容差异较大。其中SDS用量为0.6g时制备的花瓣状Co3O4/Ni表现出优良的超电容性能：其在5mA/cm2电流密度下的比电容高达2671F/g(6357mF/cm2)；电流密度增大到100mA/cm2时还能保持1370F/g(3260mF/cm2)的高比电容，此时放电时间仅需17s；在中高电流密度(15mA/cm2和50mA/cm2)下循环3000圈，比电容没有明显衰减。
　　本文还对三种不同形貌的Co3O4粉末材料进行了Li-O2电池恒流充放电测试。结果显示：纳米线状Co3O4的首圈放电比容量(3282mAh/g)最优，然而其第二圈放电过电位显著增大(约100mV)，表现出较差的循环性；蜂窝状Co3O4的前两圈放电平台电压没有明显变化，且充电过电位比另两种材料约低100mV，表现出最好的析氧反应催化活性；片层状Co3O4各方面性能均较差。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1课题研究背景和意义

1.2锂-空气电池介绍

1.3 超级电容器介绍

1.4 本课题的研究目的和主要内容

2 实验方法

2.1实验原料及仪器

2.2物化性质表征方法

2.3 电化学性能表征方法

3 Co3O4/Ni的形貌控制合成及性能研究

3.1前言

3.2材料的制备

3.3材料的组成与形貌分析

3.4材料的电化学性能分析

3.5 本章小结

4 不同形貌Co3O4的Li-O2电池正极催化性能研究

4.1前言

4.2不同形貌Co3O4粉末材料的制备

4.3材料的物化性质分析

4.4材料的Li-O2电池正极催化性能分析

4.5本章小结

5 结论与展望

致谢

参考文献