摘要：便携电子设备的飞速进展,需要电源的功率和能量密度也随之快速增加。锂离子电池由于其较高的能量密度可能满足以上要求,但是电极材料的嵌入化学行为和锂离子在其中较慢的扩散速率限制了其功率和能量密度,由此难以满足EV的要求。近几年来金属空气电池,特别是锂空气电池由于其超高的比能量引起了广泛的关注,而且有大规模运用的潜能,其能量密度达到11140Whkg-1,是常规锂离子电池的十倍,与汽油相当。锂/空气电池的放电原理是基于金属锂与氧气的反应。在有机电解液系统中,负极金属锂失去电子形成锂离子并扩散到电解液中,同时氧气得到电子与锂离子结合形成不溶于有机电解液的锂氧化物,沉积在空气电极表面。总的来说对于锂/空气电池的探讨还处在初级阶段。所以在这篇论文中我们主要探讨以下几个方面：氧还原催化剂,空气电极的优化及电解液分解机理。1.氧还原催化剂采取软化学的策略(表面活性剂辅助溶胶凝胶法)合成了钙钛矿型催化剂La0.8Sr0.2MnO3,作为氧还原催化剂,并与高温固相法合成的催化剂作比较,探讨了它们催化氧气还原反应的性能。发现采取软化学策略合成的钙钛矿型催化剂La0.8Sr0.2MnO3,颗粒更小为100nm左右,分散更均匀无团聚烧结现象,而且具有更高的比表面达32m2g-1,催化活性显著高于高温固相法合成的,体现出氧还原时有更大的还原电流,放电时有较高的放电平台,催化的电池有更高的比容量。通过比较得出结论,高比表面的催化剂具有更高的氧还原催化活性,能降低氧气还原反应历程中的极化,提升锂空气电池的性能。大比表面的催化剂具有较高的催化活性,合成不同晶型和比表面的Mn02催化剂,通过比较探讨晶型及比表面对电催化活性的影响,推测出该系列氧化物的催化活性中心,及导致催化性能降低可能的理由。不同晶型催化剂催化的锂/空气电化学性能差别很大。其中α-MnO2催化的锂/空气具有较高的首圈放电比容量和较好的循环性能,而β-MnO2,γ-MnO2和γ-MnOOH催化的锂/空气的放电容量小很多,而且容量循环衰减很快。虽然它们比表面差别很小。但是体现出来的性能截然不同,这是由于催化剂本身的晶体结构导致。探讨证实高比表面的催化剂有利于氧还原反应进行,经过优化的大比表面的毛线团状γ-MnO2作为催化剂时,电池最高放电容量为2720mAhg-1,是常规毛线团γ-MnO2的两倍,而且电池经过5圈循环后仍然维持在2350mAh g-1,是常规γ-MnO2的4倍。再次证明了高比表面的催化剂对电池的性能影响很大。电池放电容量和循环寿命的提升取决于MnO2催化剂在反应中的催化活性。在充放电反应中,该催化活性取决于催化剂的比表面和催化剂的晶体结构(MnO2表面的晶格通道结构：1×1型,1×2型,2×2型),催化剂表面活性位点越多,则活性越高,结果是不同催化剂催化的电池具有不同的性能,1×1型的孔道结构比2×2型的容易被放电产物阻塞,导致催化活性降低,结果电池在循环历程中具有不同的性能。2.防水空气电极的探讨空气中的水蒸气很容易渗透到电解液中进而腐蚀金属锂,造成电池电化学性能下降,甚至安全不足。锂/空气电池利用空气中的氧气,必须在敞开的空气气氛工作,所以防水至关重要。采取交流阻抗法及电池放电后浅析,对电池的空气电极进行防水性能的探讨。比较发现单层的空气电极在高湿度的条件下,电池放电比容量比较低,阻抗也增加较快,对放电后的锂片进行浅析,发现锂片被严重腐蚀,甚至还有与空气的反应物沉积在表面；而优化的空气电极能有较高的比容量,放电历程中,能提供稳定的界面阻抗,对放电后的锂片进行浅析,几乎没有被腐蚀的现象。理由是优化的空气电极是多层复合结构,有三维孔道结构,既能保证氧气顺畅的扩散,又能获得大的倍率性能。引入的防水层聚苯胺薄膜,经过掺杂后具有较高的导电率,能起到阻水作用,通过链段的运动传导锂离子,以而达到阻水传递锂离子的目的。在敞开环境中,高的湿度的条件下(RH20%)测试,其保持了稳定的界面阻抗,电池极化增加较慢,具有较高的放电比容量达到3241mAh g-1,放电后,金属锂片仍然保持很好地状态,几乎没有被腐蚀的迹象。在敞开气氛中,高导电的聚苯胺薄膜作为防水层的优化的空气电极,能起到很好地阻水效果,并且能有很好的电化学性能。关键词：锂/空气电池论文氧还原催化剂论文防水空气电极论文
摘要5-7
Abstract7-10
第一章 锂/空气电池10-25
1.1 探讨背景10-13
1.2 锂空气电池的原理13-16
1.3 锂/空气电池的优势及探讨所遇到的不足16-18
1.4 锂/空气电池的探讨进展18-23
1.4.1 锂/空气电池催化剂18-20
1.4.2 空气电极碳材料20-21
1.4.3 电解液21-23
1.5 本论文的探讨目的,策略及探讨内容23-25
1.5.1 本论文探讨目的和策略23-24
1.5.2 本论文探讨内容24-25
第二章 实验技术和仪器25-30
2.1 实验主要试剂和仪器25-27
2.1.1 实验主要试剂25-26
2.1.2 实验仪器26-27
2.2 材料的表征手段27-28
2.2.1 扫描电子显微技术(Scanning Electron Microscopy,SEM)27
2.2.2 透射电子显微镜(Tranission Electron Microscope,TEM)27
2.2.3 X射线衍射技术(X-Ray Diffraction,XRD)27
2.2.4 氮气吸附脱附实验27-28
2.2.5 傅立叶变换红外光谱(FTIR)28
2.2.6 热重浅析(TG)28
2.2.7 差示扫描量热法(DSC)28
2.3 电化学的表征手段28-30
2.3.1 交流阻抗测试(AC impedance)28-29
2.3.2 充放电测试(DC)29
2.3.3 循环伏安测试(CV)29-30
第三章 锂/空气电池中氧还原催化剂的探讨30-46
3.1 引言30-31
3.2 实验部分31-33
3.2.1 材料合成31-32
3.2.2 电极制备及工作环境32
3.2.3 电池测试模型32
3.2.4 样品表征32-33
3.3 结果与讨论33-44
3.3.1 催化剂对电池性能的影响33-37
3.3.2 锰氧化物对锂空气电池性能的影响37-44
3.4 本章小结44-46
第四章 锂空气电池空气电极防水性能的探讨46-55
4.1 引言46
4.2 实验部分46-48
4.2.1 材料合成及电池测试46-47
4.2.2 电极制备及工作环境47
4.2.3 模具电池模型47
4.2.4 样品表征47-48
4.3 结果与讨论48-54
4.3.1 PANI(聚苯胺)的合成及防水性能48-54
4.4 本章小结54-55
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