锂—空气电池钯负载多孔碳材料一体化空气电极研究

【摘要】：本文采用硬模板法和电泳技术成功制备了Pd负载的具有多级孔道结构的碳材料(Pd-modified hollow sphere carbon，PHSC)一体化正极。并以该复合材料为研究对象，运用X射线衍射(XRD)、热重分析(TG-DSC)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、透射电镜(TEM)、比表面积分析(BET)、拉曼光谱(Raman)和红外光谱分析(IR)对复合材料进行了表征。运用恒电流充放电、交流阻抗(EIS)和循环伏安(CV)等方法对其电化学性能进行测试和分析，系统的研究了复合材料的形貌、结构和电化学性能。并对放电产物进行了定量分析。 经过XRD图谱分析得出Pd颗粒结晶性良好，并成功负载在碳球壳内，TG-DSC测试表明Pd含量为25wt.%。通过SEM可以看出碳球壳已经牢固地沉积在碳纸的框架中。孔分布曲线得出该材料有3nm和20-100nm两种孔道结构，用BET法计算得出该材料的比表面为127m2/g，BJH法测得孔体积为0.22cm3/g。TEM得出Pd粒子的颗粒大小为10-15nm，碳球壳的壁厚为9.19nm。 限定放电比容量为3000mAh/g，在300mA/g电流密度下放电，与传统的SP碳和无钯负载碳球壳(HSC)电极相比，PHSC电极的过电位分别降低了300mV和490mV，大幅度提高了能量转换效率。CV测试使该结果得到了证实。用该材料作锂-空气电池的正极在1.5A/g的电流密度下放电比容量可以达到5900mAh/g。限定充放电比容量为1000mAh/g，以300mA/g的电流密度充放电，电池可以循环205次。 我们对放电产物进行了SEM表征，结果发现SP电极的放电产物Li2O2呈圆盘状，而我们制备的PHSC电极的放电产物Li2O2为片状结构，厚度为10nm左右，均匀生长在碳球壳表面。对放电过程中的放电产物予以定量分析，PHSC电极在100次循环之后Li2O2的含量达到81.6%。 以Pd负载的多孔碳一体化电极为空气电极，该锂-空气电池性能得到了大幅度提高，这些优异的性能归因于Pd纳米粒子的催化活性与空气电极的孔道结构，设计结构更加合理的空气电极将是锂-空气电池未来发展的一个新方向。