二次锂氧电池非碳基氧电极的制备与性能研究

摘要

二次锂氧电池因为具有超高的理论比容量(3860mAh g-1)和比能量(11425Wh kg-1)，在电动汽车、军事航空等领域具有极大的应用潜力，被认为是可以替代锂离子电池的下一代新型储能体系。但是，锂氧电池距离实际应用还有一段距离，其较大的充放电过电势导致了较差的循环性能和倍率性能，而提高氧电极催化剂的催化性能是改善锂氧电池电化学性能的关键。此外，氧电极表面的副反应和形成的绝缘副产物也是导致锂空气电池电化学性能较差的主要原因之一。 本文利用水热法制备了一种非碳基Ru/B4C氧电极催化剂，并对其形貌、结构及电化学性能进行了系统研究。Ru/B4C催化剂具有较高的氧还原(ORR)和氧析出(OER)反应活性，还可以有效的分解Li2CO3和LiOH副产物。对预装载Li2CO3和LiOH电极的充电实验结果表明，Li2CO3和LiOH可以分别在3.97V和4.1V时被Ru/B4C完全分解，表明Ru/B4C材料具有较高的催化分解副产物活性。使用Ru/B4C氧电极的锂-氧电池，在电流密度为0.05mA cm-2时首次放电比容量达到2951 mAh g-1。在300mAh g-1的等容量循环测试中电池可以稳定充放电循环40次，其中首次放电的电压平台为2.8V，首次充电的终止电压仅为3.6V，说明Ru/B4C催化剂具有较高的氧还原和氧析出双功能活性以及副产物的分解活性，可以显著减小充放电过电势，有效地保持氧电极的高反应性能，缓解由于电解液分解等副反应所造成的氧电极性能衰减。 本论文还进一步探究了使用Ru/B4C基氧电极的锂氧电池在环境空气条件下的电化学性能。在电压范围为2.0V～4.37V，电流密度分别为0.1 mA cm-2、0.2mAcm-2、0.3mA cm-2和0.5mAcm-2的条件下，测得锂氧电池的首次放电比容量分别为2260.9mAh g-1、1764.5mAh g-1、1309.1mAh g-1、381.2mAh g-1。在限制容量为300mAh g-1时，对锂氧电池在电流密度分别为0.1 mAcm-2、0.2mAcm-2和0.3mAcm-2时进行等容量充放电循环测试，电流密度为0.1 mA cm-2时电池可以循环45次，当电流密度增大到0.2mAcm-2和0.3mAcm-2时，电池分别循环了34次和22次，结果表明Ru/B4C基氧电极在环境空气气氛中仍旧可以保持较高的电化学性能，是一种非常有前途的二次锂空气电池的非碳基氧电极材料。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1选题背景及选题意义

1．2锂空气(氧)电池概述

1．2．1有机电解液体系锂空气电池

1．2．2水溶液体系锂空气电池

1．2．3有机-水混合体系锂空气电池

1．3锂氧电池面临的问题

1．4．1传统碳基氧电极

1．4．2非碳基氧电极

1．5本论文的选题依据和研究内容

1．5．1选题依据

1．5．2研究内容

第二章实验方法

2．1实验原料

2．1．1实验材料

2．1．2实验仪器

2．2实验

2．2．1泡沫镍电极基地的预处理

2．2．3氧电极的制备

2．3电池的组装

2．4材料的物理表征

2．5电化学性能研究

2．5．1交流阻抗谱

2．5．2循环伏安性能研究

2．5．3恒流充放电性能研究

第三章Ru／B4C双功能氧电极的制备及电化学性能研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1氧电极的制备

3．2．2电池的组装及评价

3．3结果与讨论

3．3．1 Ru／B4C的形貌和结构分析

3．3．2交流阻抗性能

3．3．3 Li2CO3和LiOH的分解性能

3．4本章小结

第四章使用Ru／B4C氧电极的锂氧电池电化学性能研究

4．1引言

4．2实验方法

4．2．1锂氧电池氧电极的制备及电池的组装

4．2．2电池的物理化学表征

4．3电化学性能评价

4．3．1循环伏安性能

4．3．2电池充放电性能

4．3．3电池循环性能

4．3．4电池的交流阻抗性能

4．3．5充电过程中的气体在线成分分析

4．3．6放电产物的表征

4．4本章小结

第五章Ru／B4C基锂空气电池电化学性能研究

5．1引言

5．2实验部分

5．2．1氧电极的制备

5．2．2锂空气电池的组装及性能测试

5．3结果与讨论

5．3．1循环伏安性能

5．3．2电池深度充放电性能

5．3．3充放电倍率性能

5．3．4锂空气电池循环性能

5．3．5放电产物的表征与分析

5．4本章小结

第六章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢