锂-氧电池非贵金属阴极催化剂的制备及性能研究

摘要

锂-氧电池具有极高的理论比能量密度（3505 Wh kg–1,基于产物Li2O2），可以满足未来长续航里程电动汽车的使用，因此被看作是下一代电池技术。然而，由于锂-氧电池产物Li2O2较差的导电性和溶解性，导致电池阴极的反应动力学受限、电池过电势较大、循环寿命短。因此，有必要设计、研究具有高催化活性、在超氧根环境下稳定的分层多孔结构阴极催化剂，进而提高锂-氧电池的充放电反应过程和氧气的传输动力学，提高其回程效率、增大初始放电容量并改善循环稳定性。本论文从提高非贵金属阴极催化剂的电化学性能入手，具体内容如下：
　　（1）采用静电纺丝技术制备了多孔NiCo2O4纳米管材料，所制备具有中空的内腔和多孔的外壁结构的多孔NiCo2O4纳米管，并将其用作锂-氧电池非贵金属阴极催化剂。中空多孔的NiCo2O4纳米管使锂-氧电池的初始放电容量有较大提高，在电流密度200 mA gc?1和充放电截止容量1000 mAh gc?1，放电电压平台为2.4 V时，可以循环110圈。
　　（2）采用溶剂热法在碳纳米纤维表面制备超薄NiCo2O4纳米片，并将其作为一种稳定、非贵金属和自支撑的锂-氧电池阴极。其具有三维自支撑电极的分层多孔结构，可暴露更多的催化位点和强的电解液浸润能力。由于碳材料被包覆，该阴极材料在超氧根环境中有很好的稳定性，并可抑制副产物的产生。此外，超薄 NiCo2O4纳米片导致连续包覆和良好导电层的Li2O2形貌形成，有利于实现Li2O2的高效分解。电化学测试结果表明，该催化剂提高了锂-氧电池的电化学性能，在200 mA gc?1电流密度和充放电截止容量500 mAh gc?1时，可循环220圈以上。
　　（3）将稳定自支撑电极与硝酸根阴离子电解液结合，研究其对锂-氧电池电化学性能的影响。研究表明，LiNO3可以有效降低电池的过电势，在放电比容量2000 mAh gc?1时，过电势仅仅是0.5 V。初始放电比容量增大三倍，达到14000 mA gc?1。在200 mA gc?1电流密度和充放电截止容量1000 mAh gc?1时，循环130圈以上。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 锂-氧电池的发展和工作原理

1.3锂-氧电池放电产物Li2O2研究

1.4锂-氧电池阴极催化剂的研究进展

1.5本文研究的主要内容及目的

第二章 多孔NiCo2O4纳米管阴极催化剂的制备及锂-氧电池性能研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第三章 超薄NiCo2O4纳米片与碳纳米纤维复合电极的制备及锂-氧电池性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第四章 硝酸根阴离子与稳定阴极结构对锂-氧电池性能的研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文