多孔钴酸铁非碳正极的制备及其在锂空气电池中的应用研究

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1、分类号O69学校代码10590UDC540密级公开深圳大学硕士学位论文多孔钴酸铁非碳正极的制备及其在锂空气电池中的应用研究学位申请人姓名陈候珍专业名称应用化学学院（系、所）化学与环境工程学院指导教师姓名王芳教授、吴其兴副教授摘要新型锂空气电池由于具备极高的理论能量密度而受到了广泛的关注。但是，锂空气电池离实际应用还存在着很大的差距，其较大的充放电过电势导致了较差的循环性能和倍率性能，这与空气正极的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）过程的钝化密切相关。通过改善空气正极的结构并结合催化剂的使用是促进锂空气电池ORR与OER过程的有效途径。本文中，

2、为避免碳基正极的各种弊端，采用水热法和热处理法使金属氧化物催化剂钴酸铁（FeCo2O4）薄片原位生长在泡沫镍（Ni）上构筑大孔/介孔并存的多孔非碳正极FeCo2O4@Ni并应用到锂空气电池中，大孔提供放电产物Li2O2储存的空间和O2的扩散通道；而FeCo2O4薄片上的介孔则为ORR/OER提供充足的催化活性位点。而后通过使用贵金属金（Au）来修饰FeCo2O4@Ni，制备出新型复合空气正极Au/FeCo2O4@Ni，以进一步降低充放电过电势，提升电池循环性能。两种非碳正极具体的性能考察如下：（1）通过水热反应和热处理两个过程制备非碳正极FeCo2O

3、4@Ni，并通过改变水热溶剂和煅烧温度（300-400℃）来调控FeCo2O4的形貌、结构。采用SEM、BET、XRD等手段对材料的理化性能进行表征，最后将空气正极分别组装成CR2032型扣式电池，并进行多种电化学性能测试。结果表明乙二醇能够起到减少催化剂堆叠和团聚的作用，350℃下煅烧得到的空气正极FeCo2O4@Ni具有较大的比表面积和最大孔容，并且结晶程度良好，同时拥有最大的放电容量和最优的充放电平台。因此，确定水热溶剂中含有乙二醇和煅烧温度为350℃是制备大孔/介孔并存的FeCo2O4@Ni的最佳条件，后续的FeCo2O4@Ni均在此条件下制

4、备。（2）继续对非碳正极FeCo2O4@Ni在锂空气电池中的应用进行深入的研究。经TEM和XPS表征进一步确认了FeCo2O4@Ni为大孔/介孔并存的三维多孔结构和其氧空位的存在。将所制备的非碳正极FeCo2O4@Ni与碳基正极KB/FeCo2O4/Ni进行电化学性能比较，发现前者的充放电过电势低于后者，前者的循环运行次数也高于后者，充分证明了非碳正极FeCo2O4@Ni对ORR和OER过程的促进作用。通过SEM形貌表征发现，空气正极FeCo2O4@Ni的放电产物主要为无定形的低维度的Li2O2，并且相较于结晶型的ILi2O2，无定形的Li2O2在充

5、电过程中更容易被分解。然而，尽管非碳正极FeCo2O4@Ni在一定程度上缓解空气正极的钝化问题，但随着电池的循环运行，放电电压下降较快，这是由于非碳正极FeCo2O4@Ni的导电性比较差，需要进一步改善电极的导电性。（3）最后，将所制备的FeCo2O4@Ni浸泡在四氯金酸溶液中形成新型复合空气正极Au/FeCo2O4@Ni。经SEM、XRD和XPS表征，确认复合电极上贵金属金（Au）的成功添加和FeCo2O4结构的保留。此外，通过电化学性能测试，表明了添加贵金属金后提高了电极的导电性，稳定了电极的放电电压，并且在循环充放电的中后期过程中显著降低了充放

6、电过电势，提高了电池循环性能。综上所述，本论文制备了两种以钴酸铁催化剂为主体的多孔非碳正极，并系统地研究了其在锂空气电池中的催化机理和电化学性能，证实了相较于对应的碳基正极，两种非碳正极有效降低了电池的充放电过电势和提高了电池的循环性能。关键词：钴酸铁；非碳正极；金；催化剂；锂空气电池IIAbstractLithium-air(Li-air)batterieshaverecentlydrawnconsiderableattentionduetotheirultrahighspecificenergy.However,Li-airbatteryisfa

7、rfrompracticalapplicationbecauseitslargechargeanddischargeovervoltagesledtopoorcycleperformanceandrateperformance.Allofthesearecloselyrelatedtothepassivationofoxygenreductionreaction(ORR)andoxygenevolutionreaction(OER)processesintheaircathode.Optimizingthestructureofairelectrod

8、ecombinedwithstablecatalystisaneffectivewaytopromoteth