真实空气环境中锂空气电池正极催化剂研究

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1、中图分类号：TB34论文编号：143120307学科分类号：430.4040密级：天津理工大学研究生学位论文真实空气环境中锂空气电池正极催化剂研究（申请工程硕士学位）专业学位类别：工程硕士工程领域：材料工程作者姓名：雷晓峰指导教师：丁轶教授2017年3月ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegreeStudyofCathodeCatalystforLi-airBatteryinAmbientAirByXiaofengLeiSupervisor:Prof.YiDingMarch

2、2017摘要锂空气电池在现有储能器件中具有最高的理论比能量，成为下一代储能器件的研究重点。但是目前大部分的研究集中在纯氧条件下，无法实际应用。锂空气电池从纯氧走向真实空气，还面临诸多问题：1.正极：放电产物与空气中的水蒸气、二氧化碳等反应，生成氢氧化锂、碳酸锂等更难分解的副产物，极大降低了电池的充放电效率，并且损失了电池寿命；2.电解液：电解液面临更为严重的挥发与分解等问题；3.负极：空气与金属锂负极反应，发生负极腐蚀、粉化等问题，影响电池的寿命。基于以上问题，针对真实空气环境中锂空气电池正极催化剂的设计与制备，以此来降低电池充电电压，并提高电池的循环性能。第

3、一：系统研究了三种商业化碳材料（乙炔黑、科琴黑和碳纳米管）作正极催化剂在环境空气中的锂空气电池性能。当容量限定500mAhg-1充放电电流密度200mAg-1时，三种碳材料都能循环100圈，其中科琴黑在空气中循环最稳定。100圈循环结束后，扫描电镜和红外光谱表明电极表面存在碳酸锂。对锂片直接观察发现负极金属锂片有一定程度的粉化，两方面的共同作用导致了电池性能的衰减。第二：为进一步提高电池的充放电效率和循环性能，我们设计了一种氧化亚锰微米片作正极催化剂并应用于环境空气中的锂空气电池。当容量限定500mAhg-1充放电电流密度200mAg-1时，电池能够稳定循环1

4、00圈。即使到第100圈时，放电终止电压还能维持在2.65V左右，充电终止电压为4.0V。相比于单纯科琴黑的放电终止电压下降到2.36V，充电终止电压为4.44V。氧化亚锰的加入有效减小了充电极化，提高了电池的循环稳定性。扫描电镜和X射线光电子能谱研究了氧化亚锰催化的锂空气电池不同放电深度的电极，以此探究在环境空气中放电产物的生成过程和深度分布。发现放电产物表层的碳酸锂来源于空气中的二氧化碳，而电极表面附近的碳酸锂则可能是二氧化碳的反应以及碳材料的腐蚀造成的。本工作研究了廉价的碳材料和氧化亚锰作催化剂的锂空气电池在真实空气环境中的应用。对未来锂空气电池的的实际

5、应用及降低电池成本进行了有益探索。关键词：锂空气电池，环境空气，催化剂，碳酸锂，MnO，碳材料AbstractLithium-airbatteryhasdrawngreatfocusduetoithasthehighesttheoreticalcapacityamongthecommercializedenergystoragedevices.However,mostofthepresentLi-airbatteryoperatesinpureO2otherthaninambientairwhichobviouslyprohibitsitspracticala

6、pplications.TowardtheambientairusedLi-airbatteries,therearemanychallengesshouldbesolved.1.Cathode:thedischargeproductswillreactwithmoisture,CO2toproduceLiOHandLi2CO3whicharemoredifficulttobedecomposed,theenergyutilizationefficiencyandbatterycyclelifewillbereduced.2.Electrolyte:theel

7、ectrolyteexperiencesmoreseverevolatilizationanddecompositionproblems.3.Anode:theairreactwiththeLimetalanodeandresultintheanodecorrosion,pulverizationandsoon,whichseriouslyaffectthelifeoflithium-airbattery.Basedontheseproblems,myresearchfocusondesigningandpreparinghighefficientcathod

8、ecatalystforreducin