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钴基金属复合氧化物催化剂的制备及其在锂空气电池中的应用研究

【摘要】:近年来锂空气电池成为研究热点,该电池与普通的锂离子电池相比,有更高的理论能量密度(11,000 Wh kg-1),被认为在电动汽车领域里的最有前景的储能系统。但是,在投入实际应用之前,需要解决诸如低的循环效率、低的倍率性能和差的循环性能等问题。最近,人们在通过空气电极引入双功能催化剂来提高电池的电化学性能方面做了大量的工作。基于此,本文研究重点集中在制备廉价高效的锂空气电池催化剂。具体研究内容包括:(1)首次通过静电纺丝技术和煅烧后处理方法得到了一维多孔的La0.5Sr0.5CoO2.91纳米管,并作为高效的双功能催化剂应用于锂空气电池。当由La0.5Sr0.5CoO2.91纳米管组装的锂空气电池在电流为100 mA g-1条件下放电,得到首次放电容量为7205 mAh g-1,放电电压平台为2.66 V。La0.5Sr0.5CoO2.91纳米管在碱性介质和非水电解液中可以有效的促进氧还原和氧析出反应,因而提高了电池的能量效率和库伦效率。电池在限容1000 mAh g-1的条件下可以循环85次,表明可以作为双功能催化剂应用于锂空气电池的正极。(2)通过硬模板制备了三维有序介孔(3DOM)的CuCo2O4材料,该材料可以作为高效的双功能催化剂应用于锂空气电池。通过XRD和TEM确定了CuCo2O4材料为纯相的三维有序结构。制备的CuCo2O4纳米颗粒有高的比表面积97.1 m2 g-1。循环伏安测试表明三维介孔的CuCo2O4可以提高氧还原(ORR)和氧析出(OER)的动力学反应。由3DOM CuCo2O4组装的锂空气电池比纯的科琴炭黑(KB)组装的锂空气电池有更高的放电比容量,放电比容量为7456 mAh g-1。另外,在电流密度为100 mA g-1条件下,CuCo2O4电极比碳电极极大的提高了电池的循环性能,且降低了610 mV的充放电电位差。CuCo2O4材料的高的催化活性与其大的比表面积和3D有序介孔结构有关。(3)通过硬模板制备了三维有序介孔(3DOM)的ZnCo2O4材料,该材料可以作为高效的双功能催化剂应用于锂空气电池。通过XRD和BET表征了ZnCo2O4纳米颗粒为尖晶石结构,且有127.2 m2 g-1的高比表面积。由3DOM ZnCo2O4组装的锂空气电池比纯的科琴炭黑(KB)组装的锂空气电池有更高的放电比容量,放电比容量为6024 mAh g-1。另外,在电流密度为100 mA g-1条件下,ZnCo2O4电极比碳电极极大的提高了电池的循环性能,且降低了220 mV的充放电电位差。ZnCo2O4材料的高的催化活性与其大的比表面积和3D介孔结构有关。

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