碳球復合材料作為鋰空氣陰極材料的研究.pdf

1、在過去的十幾年，鋰離子電池作為能量儲存裝置被廣泛應用。但是，近幾年，隨著新能源的發(fā)展，電流密度較低的鋰離子電池已經(jīng)不能滿足電動汽車新市場的發(fā)展要求。因此，人們迫切需要具有高能量密度的電化學體系。金屬-空氣電池因為具有較高的能量密度從而被廣泛研究。其中，最具有代表性的就是鋰空氣電池。
　　本文研究了碳球（CMs）、一元硼摻雜碳球（B-CMs）及二元硼鈷摻雜碳球(CCoB)作為鋰空氣電池空氣陰極材料的應用，目的在于探索選擇最佳的陰極催

2、化劑。通過回流-煅燒法合成得到的單純碳球具有大的比表面積及較多的納米孔結(jié)構(gòu)，在不與任何金屬顆粒負載的前提下在充放電的過程中碳球不僅可以提供反應點還可以在非水基鋰空氣電池體系中作為碳支持點。200mA g-1電流密度下，作為鋰空氣電池的陰極催化劑，碳球提供了高達12081.0mAh g-1的首次放電比容量。并且在300mA g-1電流密度下，20圈全充全放之后容量衰減較少。在200mA g-1的電流密度下，截止容量到1000mAh g-1

3、，以單純碳球作為陰極材料可以在無容量衰減的情況下，持續(xù)充放電60次。
　　按不同的原料配比通過浸漬煅燒法制備了一系列的B-CMs的陰極催化劑，對比發(fā)現(xiàn)碳球與硼酸質(zhì)量比為1:15（EDX顯示硼的實際負載量為8.07％）比例下的B-CMs作為鋰空氣電池的陰極催化劑鋰空氣電池性能最優(yōu)。所制備的B-CMs相對于單純碳球來說具有更高的比表面積及更大孔體積。通過TEM、SEM及Raman研究表明硼的化合物已經(jīng)均勻的分布在碳球的表面。紅外光譜顯

4、示負載到碳球表面的硼主要以B3C以及BC2O的形式存在。以B-CMs為空氣陰極催化劑的鋰空氣電池在100mA g-1電流密度下首次放電容量為13757.2mAh g-1，同時，有相對較低的充電電壓（4.05V）以及較高的放電電壓(2.62V).庫倫效率高達90.1%。截止充放電容量到3000mAh g-1，以B-CMs為陰極催化劑的鋰空氣電池可以穩(wěn)定循環(huán)15圈。在200mA g-1的電流密度下進行壽命測試，截止容量到1000mAh g-

5、1，電池可以穩(wěn)定循環(huán)151圈。
　　按不同的原料配比分別通過一步合成與兩步合成方法制備了一系列的CCoB的陰極催化劑，對比發(fā)現(xiàn)一步合成法及兩步合成法C、Co、B的比例分別是4:8:12及4:2:60時，CCoB作為陰極催化劑時，鋰空氣電池的性能最優(yōu)。所制備的CCoB陰極催化劑因為鈷的嵌入，相對于催化劑B-CMs及CMs鋰空氣電池的充電平臺有所降低，第一圈充電電壓平臺為3.89V，比B-CMs降低了1.6V.但是由于金屬鈷在充放電的