碳球复合材料作为锂空气阴极材料的研究

摘要

在过去的十几年，锂离子电池作为能量储存装置被广泛应用。但是，近几年，随着新能源的发展，电流密度较低的锂离子电池已经不能满足电动汽车新市场的发展要求。因此，人们迫切需要具有高能量密度的电化学体系。金属-空气电池因为具有较高的能量密度从而被广泛研究。其中，最具有代表性的就是锂空气电池。
　　本文研究了碳球（CMs）、一元硼掺杂碳球（B-CMs）及二元硼钴掺杂碳球(CCoB)作为锂空气电池空气阴极材料的应用，目的在于探索选择最佳的阴极催化剂。通过回流-煅烧法合成得到的单纯碳球具有大的比表面积及较多的纳米孔结构，在不与任何金属颗粒负载的前提下在充放电的过程中碳球不仅可以提供反应点还可以在非水基锂空气电池体系中作为碳支持点。200mA g-1电流密度下，作为锂空气电池的阴极催化剂，碳球提供了高达12081.0mAh g-1的首次放电比容量。并且在300mA g-1电流密度下，20圈全充全放之后容量衰减较少。在200mA g-1的电流密度下，截止容量到1000mAh g-1，以单纯碳球作为阴极材料可以在无容量衰减的情况下，持续充放电60次。
　　按不同的原料配比通过浸渍煅烧法制备了一系列的B-CMs的阴极催化剂，对比发现碳球与硼酸质量比为1:15（EDX显示硼的实际负载量为8.07％）比例下的B-CMs作为锂空气电池的阴极催化剂锂空气电池性能最优。所制备的B-CMs相对于单纯碳球来说具有更高的比表面积及更大孔体积。通过TEM、SEM及Raman研究表明硼的化合物已经均匀的分布在碳球的表面。红外光谱显示负载到碳球表面的硼主要以B3C以及BC2O的形式存在。以B-CMs为空气阴极催化剂的锂空气电池在100mA g-1电流密度下首次放电容量为13757.2mAh g-1，同时，有相对较低的充电电压（4.05V）以及较高的放电电压(2.62V).库伦效率高达90.1%。截止充放电容量到3000mAh g-1，以B-CMs为阴极催化剂的锂空气电池可以稳定循环15圈。在200mA g-1的电流密度下进行寿命测试，截止容量到1000mAh g-1，电池可以稳定循环151圈。
　　按不同的原料配比分别通过一步合成与两步合成方法制备了一系列的CCoB的阴极催化剂，对比发现一步合成法及两步合成法C、Co、B的比例分别是4:8:12及4:2:60时，CCoB作为阴极催化剂时，锂空气电池的性能最优。所制备的CCoB阴极催化剂因为钴的嵌入，相对于催化剂B-CMs及CMs锂空气电池的充电平台有所降低，第一圈充电电压平台为3.89V，比B-CMs降低了1.6V.但是由于金属钴在充放电的过程中容易脱落，导致以CCoB为阴极催化剂的锂空气电池电池寿命有所降低。

目录

声明

第一章 前言

1.1锂空气电池简介

1.2锂空气电池简介

1.3 锂空气电池正极材料

1.4正极材料的种类及其介绍

1.5 电解液的选择

1.6 本文选题目的及研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验原料和实验仪器

2.2 碳球的制备

2.3 测试表征

2.4 电化学测试表征

2.5 交流阻抗测试（EIS）

第三章 碳球作为可逆锂空气阴极材料的研究

3.1 碳球的制备

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 硼掺杂碳球作为可逆锂空气电池阴极催化剂性能的研究

4.1 硼掺杂碳球（B-CMs）催化剂的制备

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 钴硼二元掺杂碳球作为可逆锂空气电池阴极催化剂的研究

5.1 一步法钴硼催化剂

5.2 两步法钴硼催化剂

5.3 本章小结

第六章总结

参考文献

发表论文情况说明

致谢