過渡金屬氧化物作為鋰--空氣電池正極催化劑的研究.pdf

1、鋰-空氣電池由于具有極高的能量密度而被視為比鋰離子電池更具應(yīng)用前景的儲能器件。在其正極催化劑研究方面，過渡金屬氧化物由于種類眾多，合成方便，成本較低且催化活性良好獲得了廣泛的研究和關(guān)注。本論文以過渡金屬氧化物中典型的幾種氧化物LaNiO3(LNO)、α-MnO2和Co3O4為研究對象，制備出N摻雜鈣鈦礦LaNiO3(LNON)催化劑和復合催化劑α-MnO2/Co3O4，并通過X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和X-射線光電

2、子能譜儀(XPS)等相關(guān)測試手段對制備出的材料進行表征，并探究其在堿性水系電解液中的催化活性和相應(yīng)鋰-空氣電池中的電化學性能。
　　在N摻雜LaNiO3中，通過旋轉(zhuǎn)圓盤電極測試發(fā)現(xiàn)氮化時間為4h的樣品LNON/4h在0.1MKOH中表現(xiàn)出最高的氧還原(ORR)和氧氧化(OER)極限電流密度，同時ORR反應(yīng)電子數(shù)也最接近4。將LNON/4h應(yīng)用于鋰-空氣電池正極催化劑，探究其電化學性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以負載在正極上的催化劑為計算基準時，

3、在電流密度為50mA g-1下，負載LNON/4h催化劑的鋰-空氣電池首次放電比容量為5910mAh g-1，明顯高于LNO電池，同時LNON/4h電極也具有最低的過電壓。此外，在不同的電流密度下，LNON/4h的電池表現(xiàn)了良好的倍率性能和容量保持率。在電流密度為250mA g-1，限制容量為500mA h g-1，電壓范圍為2.5～4.7V下循環(huán)測試時LNON/4h電池可以穩(wěn)定循環(huán)50圈。通過對氧電極進行SEM表征發(fā)現(xiàn)，LNON/4h

4、催化劑由于具有更高含量的氧空位能夠有效促進放電產(chǎn)物Li2O2的生成和分解，從而明顯改善鋰-空氣電池電化學性能。
　　對于復合催化劑α-MnO2/Co3O4，其催化活性的提高不僅與α-MnO2和Co3O4的協(xié)同效應(yīng)有關(guān)，也與復合時產(chǎn)生的界面效應(yīng)有關(guān)，即復合時少量Co原子進入α-MnO2晶體內(nèi)，導致復合催化劑中的吸附氧含量升高，氧空位增多。在ORR和OER極化曲線中，γ-MnO2/Co3O4催化劑均表現(xiàn)出最優(yōu)起始電壓和最高的極限電流密

5、度。同樣地，將α-MnO2/Co3O4催化劑應(yīng)用在鋰-空氣電池中考察其在有機電解液中的電化學性能，以負載在氧電極上的碳材料KB質(zhì)量為計算標準。在電流密度為100mAg-1下，負載α-MnO2/Co3O4催化劑的鋰-空氣電池首次放電比容量為5699mAh g-1，同時也具有最低的過電壓為1.22V。在不同的電流密度下，負載α-MnO2/Co3O4的電池表現(xiàn)了良好的倍率性能和容量保持率。在電流密度為500mAg-1，限制容量為1000mAh