鋰空氣電池用MnO2電化學(xué)性能及其與碳基體匹配關(guān)系研究.pdf

1、隨著社會(huì)的快速發(fā)展，現(xiàn)有電子器件的續(xù)航能力遠(yuǎn)達(dá)不到要求，尤其是在動(dòng)力電源領(lǐng)域?qū)﹄姵氐哪芰棵芏忍岢隽烁叩囊?。鋰空氣電池因具有較高的理論比能量(包含氧氣時(shí)為5200 Wh/kg)成為研究熱點(diǎn)，其中非質(zhì)子型鋰空氣電池是研究較多、技術(shù)相對(duì)成熟的一種。
　　但是，非質(zhì)子型鋰空氣電池也面臨著諸多技術(shù)難題，如電池極化大、空氣中的H2O和CO2影響電池性能等。為了推進(jìn)鋰空氣電池的工業(yè)化生產(chǎn)，本文首先制備了一種能夠有效降低空氣中的水分子穿過的防

2、水透氣膜，從而降低了副反應(yīng)的發(fā)生；在此基礎(chǔ)上研究了不同水熱反應(yīng)時(shí)間和溫度下得到的α-MnO2納米線的形貌、比表面積、孔徑分布和催化性能，確定了最佳合成工藝；通過分析，確定空氣電極的孔道結(jié)構(gòu)是影響電池性能的主要因素，進(jìn)而研究空氣電極中α-MnO2與石墨和Super P的匹配關(guān)系，并建立了空氣電極結(jié)構(gòu)模型；同時(shí)研究了電池結(jié)構(gòu)和放電條件對(duì)電池性能的影響，以及對(duì)合成α-MnO2的改進(jìn)措施。
　　通過XRD、SEM、氮?dú)馕摳郊癓SV測(cè)試分

3、析，確定180 oC、12 h合成條件下可以得到具有較好氧還原催化性能的α-MnO2納米線，其比表面積為66.4603 m2/g。
　　將放電結(jié)束后的電池拆分為正極、負(fù)極、玻璃纖維隔膜和PP隔膜，分別組裝為四組電池，放電測(cè)試、阻抗測(cè)試以及SEM測(cè)試表明空氣電極的孔道結(jié)構(gòu)是影響電池性能的主要因素。因此，選擇顆粒尺寸具有代表性的石墨和Super P為導(dǎo)電劑，通過控制 MnO2與碳載體的比例，得到不同孔徑分布的正極進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，S

4、uper P體系中，微孔及其附近的介孔所占比例較大，首次放電比容量高達(dá)3272.3 mAh/g；而石墨體系中大孔比例高，首次放電比容量較低約為200.0 mAh/g，但容量保持率較高；將兩者混合，當(dāng)正極材料質(zhì)量比為9:12:6:5時(shí)孔徑分布較廣，首次與第二次放電比容量分別為649.5 mAh/g和775.4 mAh/g。
　　分別在電池孔附近涂覆不同面積的活性物質(zhì)，組裝電池進(jìn)行放電性能測(cè)試，當(dāng)涂覆正極活性物質(zhì)直徑為16.2 mm時(shí)

5、，電池具有最長(zhǎng)的放電時(shí)間5241 min，表明空氣電極端活性物質(zhì)得到充分利用。雙孔電池首次放電比容量略高于單孔電池，但是阻抗變化較大，不利于二次放電?？刂品烹娚疃瓤梢越档碗姌O極化，控制比容量為259.7 mAh/g進(jìn)行恒容放電，電池可以實(shí)現(xiàn)8次循環(huán)，放電電壓約為2.4 V。同時(shí)制備了摻雜Fe3+的α-MnO2復(fù)合催化劑，實(shí)驗(yàn)表明，添加摩爾比為5％(34KMnOnFe?:n)的Fe3+時(shí)能夠明顯降低顆粒團(tuán)聚，有效提高催化性能。