含貴金屬四氧化三鈷作為鋰空氣電池正極催化劑的性能研究.pdf

1、在眾多的二次能源中，鋰空氣電池因為具有較高的理論能量密度，被人們寄予厚望。但是，目前的鋰空氣電池仍然存在嚴(yán)重的極化現(xiàn)象、電解液的揮發(fā)及分解、循環(huán)性能不理想、功率性能不理想及金屬鋰負(fù)極的腐蝕等現(xiàn)象。為了解決以上問題，合適的正極催化劑材料被認(rèn)為是最有效，最可實現(xiàn)，也是最早開始的研究之一。
　　本文工作的主要目的是尋找合適的正極催化劑，以優(yōu)化放電產(chǎn)物的形成和分解為突破口，改善鋰空氣電池的性能。在本文的研究中，我們設(shè)計并且用水熱法合成了生

2、長在泡沫鎳上的納米線形貌的Co3O4材料以及Pt/Co3O4材料。用XRD、XPS、SEM、TEM等測試方法對材料的結(jié)構(gòu)和形貌進行了表征。隨后，用恒流充放電測試、循環(huán)伏安測試和交流阻抗測試對上述材料進行了鋰空氣電池的催化性能分析，并且通過充放電之后電極表面放電產(chǎn)物的形貌和成分觀察，探究在電極材料上負(fù)載貴金屬，以及在電解液中分散貴金屬顆粒對Co3O4材料催化性能的影響。具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)通過對水熱合成的實驗確定合成含貴金

3、屬的納米Co3O4材料的方法。分別從水熱反應(yīng)的時間、退火的溫度、反應(yīng)前驅(qū)體的濃度三個方面進行了原位制備含貴金屬的納米Co3O4材料的水熱合成研究。研究表明，120℃水熱條件下，5h的反應(yīng)時間對Co3O4材料的合成最為適宜，而退火則為400℃的溫度最為合適。通過控制反應(yīng)條件，我們合成了形貌均一的線狀Co3O4納米材料。實驗證實了水熱反應(yīng)法對于Co3O4材料的均勻合成是一種有效的方法。
　　(2)研究了生長在泡沫鎳上的Pt/Co3O4

4、材料的電化學(xué)性能。電化學(xué)測試表明，Pt/Co3O4作為正極催化劑的鋰空氣電池可以在500mAh g-1的恒容測試下維持55次的穩(wěn)定循環(huán)，Pt在電極材料的加入對其電化學(xué)性能，尤其是充電的過電位有明顯的改善。通過對循環(huán)過程充放電空氣電極形貌和結(jié)構(gòu)的分析，我們明確了放電過程主要放電產(chǎn)物是Li2O2，并提出貴金屬Pt的加入能夠誘導(dǎo)Li2O2薄片的生長，杜絕大顆粒放電產(chǎn)物的出現(xiàn)，從而緩解和延遲了電極的鈍化，使Li2O2在較低電位就能完全分解，減少

5、副反應(yīng)的發(fā)生的機制。
　　(3)通過在電解液中加入鈀，將四氧化三鈷（固相中）和鈀（電解液中）作為鋰空氣電池的雙效催化劑進行研究，從而改善鋰空氣電池的性能。電化學(xué)測試表明，與Co3O4在普通的TEGDME電解液中作催化劑的鋰空氣電池相比，在Pd/TEGDME中測試的鋰空氣電池的電化學(xué)性能有了明顯的改善。在電解液中加入Pd之后，鋰空氣電池可以在500 mAh g-1的恒容測試下維持超過75次的穩(wěn)定循環(huán)。通過對循環(huán)過程充放電空氣電極形貌