鋰空氣電池鑭鈷鈣鈦礦型氧化物陰極催化劑研究.pdf

1、能源危機和環(huán)境污染正日益困擾著人們的生活，尋求高效清潔的可再生能源迫在眉睫，燃油驅動力汽車逐漸電動化也是解決環(huán)境問題的有效方略之一。鋰空氣電池作為一種新型清潔儲能裝置，憑借其高能量密度，被認為是最有希望成為未來為汽車提供動力的新能源電池體系。在四種類型的鋰空氣電池中，非水體系憑借高能量密度、高可逆性和構造簡單等優(yōu)點成為研究熱點。但是，不溶于電解液的產(chǎn)物會隨著電池反應的進行而逐漸堵塞多孔電極，直至反應終止。所以，尋求高性能雙功能催化劑促進

2、充放電過程中的ORR和OER反應是解決上述問題的關鍵。
　　鈣鈦礦型氧化物憑借優(yōu)良的氧化還原活性、較高導電率以及經(jīng)濟易獲得等優(yōu)點，成為取代貴金屬及其氧化物的最佳催化劑之一。本文將圍繞LaxSr1-xCoO3系列鈣鈦礦型氧化物展開，將其用作非水系鋰空氣電池陰極催化劑，從催化劑篩選、催化機理探討、催化劑優(yōu)化這三個方面來進行研究。
　　(1)鈣鈦礦型氧化物的篩選。
　　本文制備了La0.6Sr0.4CoO3及其B位摻雜氧化物

3、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3、La0.6Sr0.4Co0.2Mn0.8O3納米顆粒，將這三種材料用作鋰空氣電池陰極催化劑，通過兩種測試模具對循環(huán)性能作出了評估，選擇出性能最佳的催化劑La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3。同時，也用同樣的方法篩選出另外兩種性能優(yōu)良的鈣鈦礦型氧化物催化劑La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3和La0.8Sr0.2Co0.8Ni0.2O3。
　　(2)催化機理的探討。

4、>　　首先深入分析了Mn和Fe摻雜La0.6Sr0.4CoO3對鋰空氣電池性能的影響，提出了兩種元素摻雜的優(yōu)化機制，并突出Fe摻雜的優(yōu)勢。Mn和Fe元素部分取代LSC的B位原子均能引起晶體結構的晶格畸變，增加參與氧化還原反應的粒子傳輸通道。其中Mn摻雜LSC會產(chǎn)生多余電子，提高晶體導電率；而Fe摻雜會造成三價和二價的Fe共存，傾向于增加晶體氧空位，同時形成氧化還原電對。并且，F(xiàn)e元素摻雜可以降低LSC燒結溫度和細化鈣鈦礦型氧化物的晶粒。

5、
　　然后以La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3為代表，從產(chǎn)物形貌角度對LSCF催化鋰空氣電池的反應機理進行了研究。LSCF對鋰空氣電池置于氧氣中測試的催化機理在于可以增加放電反應的形核位點，提供較多氧傳輸通道，改變放電產(chǎn)物Li2O2的形貌，使Li2O2在LSCF-KB電極上呈現(xiàn)出具有較小尺寸和較高比表面積的針狀形貌，使Li2O2的電導率增強從而促進Li2O2充電時的分解，減弱反應過程中的極化現(xiàn)象，提高鋰空氣電池的充放電性

6、能。在空氣中測試時，LSCF可以增強放電過程中主要產(chǎn)物Li2O2的形成競爭力，減少副產(chǎn)物Li2CO3和LiOH的產(chǎn)生，并且促進產(chǎn)物在充電過程中的分解。
　　(3)催化劑的優(yōu)化。依據(jù)以上催化機理探討的結果，對篩選出來的三種催化劑分別從材料復合、形貌調(diào)控、調(diào)節(jié)B位摻雜比三個角度進行了優(yōu)化。
　　首先，用水熱法實現(xiàn)了顆粒狀催化劑La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3與納米片層狀摻氮還原氧化石墨烯（N-rGO）的復合，得到雙功

7、能陰極催化劑LSCF@N-rGO。通過SEM形貌分析發(fā)現(xiàn)，在LSCF@N-rGO復合陰極上出現(xiàn)了獨特的花狀產(chǎn)物Li2O2，LSCF的存在不僅可以促進這種較高比表面積的花狀產(chǎn)物生成，還能作為花的中心促進其分解，有效降低鋰空氣電池充放電反應過程的極化現(xiàn)象，從而提升電池的性能。
　　然后，通過機理研究發(fā)現(xiàn)La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3成相溫度較低，更易得到多孔結構且比表面積較大的材料，所以選擇聚苯乙烯微球模板法合成了具有三

8、維多孔結構的3D-LSCF納米粉末，用于鋰空氣電池催化劑時可以顯著提高電池的充放電容量、庫倫效率、循環(huán)穩(wěn)定性以及降低過電勢，且性能遠優(yōu)于溶膠凝膠法得到的LSCF。
　　最后，基于B位原子摻雜對氧空位濃度的影響，調(diào)節(jié)了La0.8Sr0.2Co0.8Ni0.2O3的B位摻雜比。用溶膠凝膠法依次得到了La0.8Sr0.2Co0.8Ni0.2O3、La0.8Sr0.2Co0.6Ni0.4O3和La0.8Sr0.2Co0.4Ni0.6O3三