二次鋰電池電極材料的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，提高車載電源能量密度，改善電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航問題成為推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵。為此，本論文以目前所廣泛使用的鋰離子電池和下一代電動(dòng)汽車潛在電源（鋰空氣電池）等兩種二次鋰電池作為研究對(duì)象，主要開發(fā)新型、高效鋰空氣電池正極及其催化劑并研究具有優(yōu)良大電流放電和循環(huán)性能的鋰離子電池負(fù)極氧化物材料，以期改善上述兩種二次鋰電池的性能，進(jìn)而滿足電動(dòng)汽車的使用要求。主要研究內(nèi)容包括：
　?。?）開發(fā)了一種有利于徹底排出空氣腔中

2、的氬氣、減緩電池工作過程中電解液的揮發(fā)；同時(shí)便于準(zhǔn)確對(duì)電池充放電過程中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行在線分析的新型鋰空氣電池模具；通過對(duì)比不同鋰空氣電池正極制備工藝發(fā)現(xiàn)：泡沫鎳因其具有多孔骨架結(jié)構(gòu)和優(yōu)良導(dǎo)電性從而比碳紙更適合作為正極的基底；采用濕膜制備法時(shí)，壓片處理可以有效改善電極的放電比容量。相較于濕膜制備法和輥壓法，噴涂法可以有效提高電極中的氧擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)從而改善鋰空氣電池的性能。
　?。?）利用溶膠-凝膠法制備了鋰空氣電池正極用雙鈣鈦礦氧化物

3、Sr2CrMoO6-δ催化劑。該催化劑具有良好的氧還原和析氧反應(yīng)催化活性，從而有效地改善了鋰空氣電池的性能：電流密度為75 mA g-1時(shí)，其放電比容量達(dá)到了2306 mAh g-1，充放電電壓平臺(tái)的差值比純Super P電極降低了400 mV，明顯提高了電池的能量轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)提高電流密度為150 mA g-1時(shí)，其容量保持率達(dá)到了85.4％。在200 mAg-1的電流下，其放電比容量約為 Super P電極的兩倍。同時(shí)，以Sr2CrM

4、oO6-δ為催化劑的電池在不同電流密度下（75，150和200 mA g-1）均可穩(wěn)定運(yùn)行30圈以上，而基于碳材料的電池僅能運(yùn)行20、19和13圈。
　　（3）通過一步水熱法分別制備了具有花狀形貌和棒狀形貌的硫化鎳材料并作為金屬硫化物的代表首次應(yīng)用于鋰空氣電池正極催化劑的研究中。結(jié)果表明，硫化鎳材料，尤其是花狀硫化鎳明顯提高了鋰空氣電池的比容量、降低了充放電過程中的過電勢(shì)、提高了能量轉(zhuǎn)換效率、改善了倍率性能并延長了循環(huán)壽命。電流密

5、度為75mA g-1時(shí)，花狀硫化鎳和棒狀硫化鎳電極的放電比容量分別達(dá)到了6733和3794 mAh g-1，能量轉(zhuǎn)換效率分別為61.8%和60%。當(dāng)電流密度提高到150和200 mA g-1時(shí)，花狀硫化鎳的放電比容量仍然可以分別達(dá)到5704和4533 mAh g-1，而棒狀硫化鎳材料的放電比容量則分別為3161和2797 mAh g-1。不同電流密度下，限制比容量為900 mAh g-1時(shí)，兩種硫化鎳電極均可穩(wěn)定運(yùn)行30圈，而基于碳材料

6、的電池僅能維持24、17和12圈。
　?。?）利用Ni2+和NH3之間存在的絡(luò)合作用，通過共沉淀-分段焙燒法制備了具有多孔和中空結(jié)構(gòu)的鎳錳復(fù)合氧化物 Ni0.14Mn0.86O1.43(0.29 Mn2O3/0.14NiMn2O4)。該材料用作鋰離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的大電流放電特性和循環(huán)穩(wěn)定性。當(dāng)電流密度為50 mA g-1時(shí)，其可逆比容量為756 mAh g-1，當(dāng)電流密度分別增加到200,800,1000,1200和16

7、00 mA g-1時(shí)，其可逆比容量保持率分別達(dá)到了95.2%，81.3%，69.7%，65.4%和54.7%。當(dāng)電流密度為800 mA g-1時(shí)，經(jīng)過150圈循環(huán)后其比容量仍然可以達(dá)到408 mAh g-1，容量保持率為69.3%。
　　總之，本論文設(shè)計(jì)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鋰空氣電池實(shí)驗(yàn)用新型模具；優(yōu)化了鋰空氣電池正極極片的制備工藝；開發(fā)了兩種高效鋰空氣電池正極用催化劑，有效改善了鋰空氣電池性能；成功制備了具有多孔和中空結(jié)構(gòu)特性的