锂二氧化碳电池正极氧化镍材料的制备及其电化学性能研究
发布时间：2021-08-11 14:41
锂二氧化碳（Li-CO2）电池是一种环境友好的新型能量存储体系,它不仅能够巧妙地将减少温室气体二氧化碳（CO2）排放与能源存储结合起来,而且具有较高的理论能量密度,能够满足电动汽车和智能电网等新兴科技的工作需求,是最具有发展前景的储能系统之一。但是,Li-CO2电池距离商业化应用还有很大的差距,存在的主要问题是放电产物中的碳酸锂（Li2CO3）是一种带隙较宽且化学性质较为稳定的物质,在充电过程中不易被分解,从而导致过电位升高,电解液分解,电池循环寿命短等一系列问题,高效正极催化剂的开发是解决上述问题的关键。本论文以氧化镍（NiO）材料作为基础,通过设计实验方法制备出不同形貌结构的正极催化剂材料,并系统性地研究了其对电池电化学性能的影响。主要研究内容包括以下几个方面:1.通过静电纺丝工艺结合煅烧过程制备多孔NiO纳米纤维,并将其作为Li-CO2电池的正极催化剂。当电流密度为100 m A g-1,截止容量为1000 m Ah g
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
以P-Mn2O3/KB为正极催化剂的Li-CO2电池在第50次放电状态下回收的Li负极（a）正面及背面的数码照片，SEM图像：侧视图（b）和顶视图（前面）（c），（d）回
1绪论8点，在许多电化学储能系统中作为催化剂载体、导电剂和电极材料，如锂离子电池、燃料电池和超级电容器，以及Li-air电池和Li-CO2电池[56,57]。在研究初期，科研工作者将商用的碳材料SuperP用作Li-CO2电池的正极材料[58]。尽管SuperP在离子电解液中未表现出任何的放电容量，但其在醚类电解液中的电池容量却较大（6062mAhg1），这说明电解液对电池性能有决定性影响[27,59]。紧接着这一结论被Zhang[60]和Liu[25]的团队进一步证实，他们发现科琴黑（KB）在醚类电解液中电池放电容量也能超过1000mAhkg-1。以上结果表明，Li-CO2电池在适当的商业活性碳材料-电解液系统下是可以正常工作的。除了以上提到的商业活性碳材料以外，碳纳米管和石墨烯等由于其独特的量子尺寸效应和表面化学状态，使其具有优异的物理和化学性质，被认为是优越的电催化剂材料。2015年，Zhang课题组首次将石墨烯引入到Li-CO2电池中[60]。石墨烯具有高导电性、大比表面积、高的电化学稳定性等优点，其大的比表面积可以暴露更多的活性位点同时也能为放电产物提供足够多的存储空间，因此可充电Li-CO2电池在电流密度为50mAg-1时表现出高的放电比容量（14774mAhg-1）和稳定的循环性能（20次）（图1.5）。同年，Zhang等人又将CNTs用作Li-CO2电池的正极材料[61]。同等条件下，虽然电池的放电容量略低（8379mAhg-1），但其循环稳定性有显著提高（100mAg-1条件下循环超过20圈）。作者认为，电池性能的改善主要是由于CNTs的结构优势。首先，图1.5（a）石墨烯SEM图，（b）石墨烯正极的Li-CO2电池在CO2及Ar气氛中的放电曲线，（c，d）电池在电流密度分别为50mAg-1和100mAg-1截止容量为1000mAhg-1时的循环图。
1绪论12物的形成。随后，基于IrO2的高催化活性，Mao等人设计了一种超细IrO2纳米颗粒修饰直接生长在碳布基底上的层状δ-MnO2（IrO2/δ-MnO2）的CO2正极[53]。作者提出，IrO2纳米粒子具有比δ-MnO2纳米片更高的催化活性，因此在放电过程开始时，就成为放电产物成核和生长的活性位点。在后续的放电反应中，2Dδ-MnO2起到了协同催化作用，为后续放电产物的形成提供了大量的活性中心。因此，协同催化效应IrO2/δ-MnO2复合材料中的IrO2和2Dδ-MnO2导致了薄层非晶态Li2CO3的保形生长，使Li-CO2电池具有良好的可逆性。虽然贵金属的研究大大降低了Li-CO2电池的过电位，但是对于正极表面放电产物的成核和生长机理尚不清楚。1.4.3.3过渡金属及其氧/碳化物催化剂材料虽然Ru和Ir等贵金属对CO2的氧化还原有较好的催化活性，当被用作Li-CO2电池的正极催化剂可有效地降低电池的过电位，增加电池的循环稳定性等，但是，由于其昂贵的价格阻碍了其广泛应用。因此，开发低成本、高催化活性的催化剂迫在眉睫。而过渡金属由于其多价性，在电催化领域表现出良好的活性，有望取代贵金属[74-76]。图1.8NiO-CNTs的SEM（a）和TEM（b）图，（c）NiO-CNTs或CNTs正极Li-CO2电池的CV曲线，具有NiO-CNT正极的Li-CO2电池在50mAg-1电流密度下的放电-充电曲线（d），（e）50mAg-1或（f）100mAg-1时的循环性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Li-CO2电池机理、催化剂和性能研究进展（英文）[J]. 李翔,杨思勰,冯宁宁,何平,周豪慎. 催化学报. 2016(07)
本文编号：3336342
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
以P-Mn2O3/KB为正极催化剂的Li-CO2电池在第50次放电状态下回收的Li负极（a）正面及背面的数码照片，SEM图像：侧视图（b）和顶视图（前面）（c），（d）回
1绪论8点，在许多电化学储能系统中作为催化剂载体、导电剂和电极材料，如锂离子电池、燃料电池和超级电容器，以及Li-air电池和Li-CO2电池[56,57]。在研究初期，科研工作者将商用的碳材料SuperP用作Li-CO2电池的正极材料[58]。尽管SuperP在离子电解液中未表现出任何的放电容量，但其在醚类电解液中的电池容量却较大（6062mAhg1），这说明电解液对电池性能有决定性影响[27,59]。紧接着这一结论被Zhang[60]和Liu[25]的团队进一步证实，他们发现科琴黑（KB）在醚类电解液中电池放电容量也能超过1000mAhkg-1。以上结果表明，Li-CO2电池在适当的商业活性碳材料-电解液系统下是可以正常工作的。除了以上提到的商业活性碳材料以外，碳纳米管和石墨烯等由于其独特的量子尺寸效应和表面化学状态，使其具有优异的物理和化学性质，被认为是优越的电催化剂材料。2015年，Zhang课题组首次将石墨烯引入到Li-CO2电池中[60]。石墨烯具有高导电性、大比表面积、高的电化学稳定性等优点，其大的比表面积可以暴露更多的活性位点同时也能为放电产物提供足够多的存储空间，因此可充电Li-CO2电池在电流密度为50mAg-1时表现出高的放电比容量（14774mAhg-1）和稳定的循环性能（20次）（图1.5）。同年，Zhang等人又将CNTs用作Li-CO2电池的正极材料[61]。同等条件下，虽然电池的放电容量略低（8379mAhg-1），但其循环稳定性有显著提高（100mAg-1条件下循环超过20圈）。作者认为，电池性能的改善主要是由于CNTs的结构优势。首先，图1.5（a）石墨烯SEM图，（b）石墨烯正极的Li-CO2电池在CO2及Ar气氛中的放电曲线，（c，d）电池在电流密度分别为50mAg-1和100mAg-1截止容量为1000mAhg-1时的循环图。
1绪论12物的形成。随后，基于IrO2的高催化活性，Mao等人设计了一种超细IrO2纳米颗粒修饰直接生长在碳布基底上的层状δ-MnO2（IrO2/δ-MnO2）的CO2正极[53]。作者提出，IrO2纳米粒子具有比δ-MnO2纳米片更高的催化活性，因此在放电过程开始时，就成为放电产物成核和生长的活性位点。在后续的放电反应中，2Dδ-MnO2起到了协同催化作用，为后续放电产物的形成提供了大量的活性中心。因此，协同催化效应IrO2/δ-MnO2复合材料中的IrO2和2Dδ-MnO2导致了薄层非晶态Li2CO3的保形生长，使Li-CO2电池具有良好的可逆性。虽然贵金属的研究大大降低了Li-CO2电池的过电位，但是对于正极表面放电产物的成核和生长机理尚不清楚。1.4.3.3过渡金属及其氧/碳化物催化剂材料虽然Ru和Ir等贵金属对CO2的氧化还原有较好的催化活性，当被用作Li-CO2电池的正极催化剂可有效地降低电池的过电位，增加电池的循环稳定性等，但是，由于其昂贵的价格阻碍了其广泛应用。因此，开发低成本、高催化活性的催化剂迫在眉睫。而过渡金属由于其多价性，在电催化领域表现出良好的活性，有望取代贵金属[74-76]。图1.8NiO-CNTs的SEM（a）和TEM（b）图，（c）NiO-CNTs或CNTs正极Li-CO2电池的CV曲线，具有NiO-CNT正极的Li-CO2电池在50mAg-1电流密度下的放电-充电曲线（d），（e）50mAg-1或（f）100mAg-1时的循环性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Li-CO2电池机理、催化剂和性能研究进展（英文）[J]. 李翔,杨思勰,冯宁宁,何平,周豪慎. 催化学报. 2016(07)
本文编号：3336342
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