鋰空氣電池正極多孔材料的制備及其性能的研究.pdf

1、鋰空氣電池具有超大的理論比容量(3860mAh.g-1)和理論比能量(11400Wh.kg-1),大大超過任一種化學(xué)電源,是一種環(huán)境友好的新型電池。近年來,科研人員對(duì)鋰空氣電池的電解質(zhì)材料和正極催化劑材料的研究取得了一定進(jìn)展。一些研究表明,正極催化劑材料的多孔性對(duì)于氧氣在電池內(nèi)部的擴(kuò)散能力具有很大影響,而氧氣的擴(kuò)散能力直接影響著電池的電化學(xué)性能,但對(duì)于正極材料的微觀結(jié)構(gòu)(比表面積、孔容、孔徑)與電池性能(充放電性能、倍率性能、循環(huán)性能)

2、之間的具體關(guān)系尚未展開研究?；诖?本文研究重點(diǎn)集中于合成具有較好催化性能的正極多孔催化劑材料,同時(shí)針對(duì)催化劑材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其電池性能的影響進(jìn)行了研究。
　　在本論文中,首先采用了在碳納米管表面原位合成的方法制備了NiO/MWNTs材料和Co3O4/MWNTs材料,并且與純MWNTs材料在結(jié)構(gòu)和性能上進(jìn)行對(duì)比得出:NiO/MWNTs的?V最小(1.05V),而純MWNTs的?V最大(1.50V),?V越小,催化性能越好。材料的催

3、化性能與其本身性質(zhì)和比表面積有關(guān),比表面積越大,催化性能越好,NiO/MWNTs比表面積為177.08m2·g-1,而純MWNTs的比表面積為97.86m2·g-1;Co3O4/MWNTs的孔容最大(0.63cm3·g-1),放電容量最大(2682mAh·g-1),MWNTs的孔容最小(0.40cm3·g-1),放電容量最小(2054mAh·g-1);Co3O4/MWNTs的BJH平均孔徑為10.46nm,在0.05C充放電條件下充放電

4、容量分別為1092mAh·g-1和1163mAh·g-1,循環(huán)12圈后,充放電過程的容量保持率分別為12.1％和14.5%,NiO/MWNTs的BJH平均孔徑為7.68nm,在0.05C充放電條件下充放電容量分別為736mAh·g-1和878mAh·g-1,循環(huán)10圈后,充放電過程的容量保持率分別為4.5%和5.5%,且Co3O4/MWNTs的大電流充放電性能優(yōu)于NiO/MWNTs,在0.2C充放電條件下,充放電容量分別為292mAh·

5、g-1和340mAh·g-1。為此,對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)與其電化學(xué)性能之間的關(guān)系提出了一個(gè)觀點(diǎn):比表面積較大的材料對(duì)電極反應(yīng)具有較高的催化性能,孔容較大的材料具有較高的充放電容量,而孔徑較大的材料則具有較好的循環(huán)性能和大電流充放電性能。
　　為進(jìn)一步證實(shí)上述觀點(diǎn),分別采用化學(xué)沉積的方法法制備了具有20.51nm的BJH平均孔徑且外層孔的孔徑為100～200nm大孔結(jié)構(gòu)的Co3O4材料,以及采用在泡沫鎳網(wǎng)表面原位電沉積的方法制備了具有2

6、7.88nm的BJH平均孔徑且外層孔的孔徑為200～300nm大孔結(jié)構(gòu)的Co3O4/Ni材料。在0.05C的的充放電條件下,Co3O4具有1491mAh·g-1的充電容量和1598mAh·g-1的放電容量,循環(huán)15圈以后,充放電過程的容量分別為459mAh·g-1和565mAh·g-1,容量保持率分別為30.8%和35.4%,在0.2C充放電條件下,充放電容量分別為399mAh·g-1和409mAh·g-1,性能較Co3O4/MWNTs

7、有顯著提高;而Co3O4/Ni的性能更加優(yōu)異,在0.05C的的充放電條件下,具有1793mAh·g-1的充電容量和1917mAh·g-1的放電容量,循環(huán)20圈之后,充放電容量分別為630mAh·g-1和650mAh·g-1,容量保持率分別為35.1%和33.9%,在0.2C充放電條件下,充放電容量分別為565mAh·g-1和601mAh·g-1。通過對(duì)比幾種材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能,驗(yàn)證了之前提出的觀點(diǎn):比表面積較大的材料對(duì)電極反應(yīng)具有較