锂空气电池mno2催化剂及碳载体的电化学性能研究

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1、硕士学位论文锂空气电池MnO2催化剂及碳载体的电化学性能研究ELECTROCHEMICALPERFORMANCEOFMnO2CATALYSTANDCARBONSUPPORTSINLITHIUM-AIRBATTERY史海浩哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TQ152学校代码：10213国际图书分类号：540密级：公开工学硕士学位论文锂空气电池MnO2催化剂及碳载体的电化学性能研究硕士研究生：史海浩导师：胡会利副教授申请学位：工学硕士学科：化学工程与技术所在单位：海洋科学与技术学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大

2、学ClassifiedIndex:TQ152U.D.C:540DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringELECTROCHEMICALPERFORMANCEOFMnO2CATALYSTANDCARBONSUPPORTSINLITHIUM-AIRBATTERYCandidate：ShiHaihaoSupervisor：Prof.HuHuiliAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ChemicalEngineeringandT

3、echnologyAffiliation：SchoolofMarineScienceandTechnologyDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着21世纪能源危机的到来，拥有极高能量密度的锂空气电池受到了人们的广泛关注和研究。为了降低氧气正极还原反应势能，必须添加高效的氧化还原催化剂，常见的催化剂如铂及其合金等价格昂贵，不利于电池的商业化生产，而本文研究的α-MnO2是一种廉价

4、而高效的催化剂。另外，为了加快锂空气电池的实用化，本文制备了正极防水透气膜，并且电池测试均在空气中进行。本文对正极催化剂α-MnO2的制备工艺、MnO2掺杂稀土元素对电池性能的影响、不同碳载体的电化学性能，以及空气中锂空气电池的充放电机理进行了探究，并在锂空气电池研究领域首次提出并建立“电子传递失效”数学模型。试验采用KMnO4和MnSO4为前驱物，在180℃下水热反应12h，得到具有较大比表面积，微孔和介孔结构数量比例合适的棒状纳米α-MnO2。实验得出，只有正极材料拥有数量比例合适的微孔和介孔结构、较好的ORR催化作用以及较小的电荷

5、传递阻抗，电池才能拥有较好的电化学性能。并且电池比容量和循环性能随着正极材料比表面积和孔容大小的增加，分别提高和降低，而比容量和循环性能并没有随着正极材料平均孔径大小的改变而产生规律性变化。实验所用石墨、ks6导电石墨、SuperP、乙炔黑和CNTs五种碳载体中，MnO2/CNTs的放电比容量较大，达2200mAh/g(carbon+catalyst)。试验首次对MnO2掺杂稀土元素Ce，得到具有ORR/OER双效催化作用的CexMn1-xO2材料。其中Ce0.1Mn0.9O2的催化能力最强，其限容充放电电势差仅为700mV，是α-Mn

6、O2充放电电势差的(2100mV)三分之一。对过渡金属氧化物掺杂稀土元素，为锂空气电池正极催化剂的制备提供了一种全新思路。试验得出，导致锂空气电池性能较差的主要原因是电解液种类不同，而不是正极防水透气膜和空气中的杂质。醚基锂空气电池(CNTs/TEGDME)的限容充放电循环次数达60次，而酯基锂空气电池(CNTs/PC/EC/EMC)仅为12次。在充放电循环过程中，催化剂表面会被放电产物覆盖，催化作用降低，而充电过程只能使放电产物在一定程度上分解，其中，酯基电解液放电后主要形成Li2CO3、LiF等副产物，导致电池失效；而醚基电解液在放

7、电后生成目标产物Li2O2以及少量Li2CO3。试验根据不同正极材料充放电测试和阻抗谱测试结果，结合X射线衍射和扫描电子显微镜测试结果指出，充放电过程对正极反应的电荷传递阻抗影响最大，进而首次在锂空气电池研究领域提出并建立“电子传递失效”数学模型，-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文探究导致电池失效的原因，并对不同正极材料放电曲线进行了合理解释，为锂空气电池的实用化提供了很好的指导意义。关键词：锂空气电池；MnO2催化剂；碳载体；空气测试环境；充放电机理；电子传递失效模型-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWithth

8、earrivalofenergycrisisinthe21stcentury,lithium-airbatterieswhichhavehighenergydensityattractpeople'satt