锂空气电池氧气电极催化剂的制备及其性能研究

【摘要】：近年来,随着人们对新能源的需求不断增加,锂空气电池作为一种新型清洁的能量储备电池,不断引起各界人士的关注。在锂空气电池的研究过程中,研究人员发现其具有超高的理论比能量、价格低廉、环境友好、重量轻等优点,这就为目前化学电源需求量不断增加的难题,提供了有效的解决方法与途径。其理论比能量可达11400Wh kg~(-1),比锂离子电池的理论比容量高出大约5-10倍。虽然锂-空气电池有着诸多的优势,但是要将其彻底的实际应用到人们的日常生活中,仍然有许多亟需要解决的科学和技术难题,比如:空气电极的稳定性差、电解液不稳定、锂片易受腐蚀、电极结构不理想等。这些难题与锂空气电池中电极的制备、催化剂材料的选取与制备、电池的组装及工作效率、电池的稳定性及工作人员的操作技术等紧密相连。目前,常用的纳米材料的制备方法有很多种,比如:水热合成法、溶胶-凝胶法、静电纺丝法、电化学沉积法、固相合成法等。本文采用水热合成法来制备纳米级的四氧化三钴、氧化铁、铁酸钴材料,使用扫描电镜(SEM)、X-射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)与低温氮气吸附仪(BET)对材料的形貌、结构及孔径等进行表征。将这些纳米材料用作锂-空气电池空气电极的催化剂,在电压范围为2.3-4.5 V的情况下,来探讨这些纳米材料用作锂-空气电池空气电极催化剂,对电池性能的影响。本文采用水热合成法制备出纳米Co_3O_4与Fe_2O_3材料,将其用作锂空气电池空气电极催化剂,研究电流密度对纳米Co_3O_4材料性能的影响。焙烧前后纳米Fe_2O_3材料的催化性能,以及Fe_2O_3材料在空气电极中所占的比重对其电池性能的影响。在电压范围为2.3-4.5V,发现纳米Co_3O_4基电池的首次放电容量随着电流密度的增大,而不断降低。焙烧后纳米Fe_2O_3首次放电容量2329.6 mAh/g_((电极))明显大于焙烧前,且纳米Fe_2O_3、KB与粘结剂重量比2:7:1时,其过电位最小,为0.91V。采用水热合成法制备出纳米铁酸钴CoFe_2O_4材料,将其在不同温度(350℃、450℃、550℃、650℃、750℃)下焙烧后得到尖晶石型纳米CoFe_2O_4材料,当电压范围为2.3-4.5V,电流密度为0.02 mA cm~(-2),650℃焙烧的CoFe_2O_4催化剂与纯科琴碳混合,作为锂-空气电池氧气电极,其性能表现最佳。首次放电容量为2943 mAh/g_((电极)),过电位为0.95V。与纯科琴碳相比,首次放电容量提高了约6.7倍,过电位降低了0.37 V。在限容循环测试中,650℃焙烧得的CoFe_2O_4相对于其它温度处理的样品,容量保持率最高。相同条件下CoFe_2O_4基电池的首次放电容量高于Co_3O_4与Fe_2O_3。本工作初步研究了钴与铁基纳米催化剂在锂空气电池中的应用,对未来锂-空气电池的应用研究进行了有益的探索。