不同形貌Co3O4的Li-O2電池正極催化性能及超級(jí)電容性能研究.pdf

1、鋰-空氣電池因具有超高比能量而成為近幾年來研究迅速升溫的一種新型化學(xué)電源。目前面臨的最大問題是充放電過電位大以及循環(huán)壽命短。研究表明高效的正極催化劑可緩解上述問題。過渡金屬（如Mn、Fe、Co、Ni等）氧化物表現(xiàn)出較好的催化活性，且成本較低、環(huán)境友好，因而引起廣泛的研究。另一化學(xué)電源——超級(jí)電容器因兼具高比能量和大功率密度而受到重視。用金屬氧化物作為電極材料可提供較大的法拉第贗電容，然而目前其循環(huán)壽命和大電流工作性能還不能滿足實(shí)際需要。

2、電極材料作為上述兩種化學(xué)電源的關(guān)鍵部分，其形貌、結(jié)構(gòu)均可能引起電化學(xué)性能的差異。本論文即從Co3O4的形貌著手，探索其對鋰-空氣電池正極催化性能的影響，同時(shí)通過優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)形貌來實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容性能的提升。
　　本文選擇在上述兩個(gè)領(lǐng)域中均表現(xiàn)出優(yōu)良性能的Co3O4體系作為研究對象。采用水熱-熱分解法，在泡沫鎳上原位制備了棒狀和花瓣?duì)顑煞N形貌的四氧化三鈷(Co3O4/Ni)。不使用表面活性劑時(shí)，獲得直徑為50~200納米、長度為1~3

3、um的棒狀 Co3O4/Ni。使用十二烷基磺酸鈉(SDS)輔助水熱反應(yīng)，可獲得花瓣?duì)頒o3O4/Ni，其由厚度小于10nm、長寬大于2um的納米片組成。不同SDS用量下制備的材料形貌相似，均為分散均勻的花瓣?duì)頒o3O4/Ni。
　　Li-O2電池正極催化性能測試和三電極體系的超級(jí)電容性能測試顯示：
　?、僮鳛長i-O2電池正極催化劑時(shí)，棒狀和花瓣?duì)頒o3O4/Ni的首圈放電平臺(tái)電壓相似，平均放電電壓約2.83V，說明兩種材料

4、對氧還原反應(yīng)的催化活性相當(dāng)。然而兩者的比容量和析氧反應(yīng)催化性能各占優(yōu)劣：比容量方面，棒狀Co3O4/Ni的放電比容量(1492mAh/g)高于花瓣?duì)頒o3O4/Ni(1219mAh/g)；析氧反應(yīng)催化活性方面，則是花瓣?duì)頒o3O4/Ni更好，其充電平均電壓比棒狀Co3O4/Ni低60-90mV。此外，在一定SDS用量范圍內(nèi)(0.2g到0.6g)制備的花瓣?duì)頒o3O4/Ni的放電比容量變化不大(1219-1242mAh/g)。當(dāng)SDS用量

5、增大到0.8g時(shí)，材料的比容量才有明顯降低(983mAh/g)。說明Co3O4的結(jié)晶度在一定范圍內(nèi)對比容量的影響不明顯。
　?、谧鳛槌?jí)電容器電極時(shí)，棒狀Co3O4/Ni的比電容(539F/g)遠(yuǎn)低于花瓣?duì)頒o3O4/Ni(1240-2671F/g)，說明花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)的活性位點(diǎn)更多。調(diào)控表面活性劑得到不同結(jié)晶度的花瓣?duì)頒o3O4/Ni的比電容差異較大。其中SDS用量為0.6g時(shí)制備的花瓣?duì)頒o3O4/Ni表現(xiàn)出優(yōu)良的超電容性能：其在

6、5mA/cm2電流密度下的比電容高達(dá)2671F/g(6357mF/cm2)；電流密度增大到100mA/cm2時(shí)還能保持1370F/g(3260mF/cm2)的高比電容，此時(shí)放電時(shí)間僅需17s；在中高電流密度(15mA/cm2和50mA/cm2)下循環(huán)3000圈，比電容沒有明顯衰減。
　　本文還對三種不同形貌的Co3O4粉末材料進(jìn)行了Li-O2電池恒流充放電測試。結(jié)果顯示：納米線狀Co3O4的首圈放電比容量(3282mAh/g)最優(yōu)