锂空气电池阴极材料催化剂的制备及性能研究开题报告

2021-02-24 10:00:46

1. 研究目的与意义（文献综述）

当今社会在飞速发展的同时，人们不得不面对石油、天然气和煤等传统化石能源消耗殆尽所带来的能源危机以及使用这些能源所引起的温室效应、日益严重的环境污染等问题。因此不断探究新的可再生清洁能源和发展有效的节能技术变得十分重要，而研究和探究高能量密度的电池体系与相关材料就是今后关注的焦点。

金属空气电池由于具有能量密度高、轻便及对环境无污染等优点，成为最具有开发前景的清洁能源之一，是极具发展潜力的电动汽车动力能源。性能优异的锂空气电池需要具备以下要求：（1）具有性能优异的阴极催化剂。没有催化剂存在时，锂空气电池的反应效率（包括ORR和OER）极低且存在较大的充放电过电势；（2）稳定的电解质。电解质需要在高电压和长时间工作中保持稳定；（3）合适载体材料。作为催化剂的载体，其必须具有高的比表面积和大的孔隙率，才能确保催化剂和电解质之间充分接触并为放电产物Li₂O₂提供更多的容纳空间；（4）良好的防水透气层。空气中的CO₂、N₂和水分等都能降低锂空气电池的性能。然而锂空气电池在实际应用中仍面临着许多挑战，例如过电势高、循环性能差、可逆度低等实际问题。

目前，锂空气电池的研究多集中于阴极催化剂上，研究者们试图寻找合适的双功能催化剂（同时具备优异的ORR和OER催化性能）来克服锂空气电池的诸多挑战。理想的锂空气电池阴极催化剂应满足以下几个特点：（1）能促进阴极上氧的还原/析出；（2）在电解液中保持稳定；（3）良好的电导率与高比表面积；（4）能够容纳Li₂O₂。迄今为止，已报道的阴极催化剂有以下几类：贵金属及其合金、过渡金属氧化物(如锰系列氧化物、尖晶石型、钙钛矿型、焦绿石型氧化物)、过渡金属有机大环化合物等。其中钙钛矿结构（ABO₃，A 代表La、Ca、Sr、Ba，B 代表Ni、Co、Fe、Mn）催化剂具有较高的氧化和还原活性，优良的电子电导率和氧离子电导率以及良好的氧渗透性，被认为是金属空气电池具有发展潜力的催化剂。大量研究表明B位的金属阳离子产生催化作用，而A位的金属阳离子能够使氧化物保持热稳定性。在钙钛矿型氧化物(ABO₃)中，当B位过渡金属离子的eg电子数为1时，钙钛矿型氧化物对ORR及OER均具有很高的催化性能，尤其是LaNiO₃表现出了与Pt/C和IrO₂几乎相同的ORR及OER催化性能。

迄今为止，ABO₃型钙钛矿氧化物的制备方法有许多种，例如，固相反应、共沉淀法和溶胶凝胶法，然而上述方法存在着一些缺点，如复杂的设备、操作过程、昂贵的原料及高的处理温度等。水热法是一种能简单方便制备ABO₃型钙钛矿氧化物的方法，具有制备过程简单、产物结晶度好、纯度高，同时能够实现可控的比例调控等优点。因此本研究拟采用水热法合成LaNiO₃，并研究其在锂空气电池中的电化学催化性能。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

研究不同溶液pH、水热温度、水热时间、煅烧温度和煅烧时间对锂空气电池阴极材料钙钛矿催化剂LaNiO₃的微观形貌的影响规律，探究最佳水热条件下合成的钙钛矿催化剂LaNiO₃对锂空气电池电化学性能的影响。

2.2 研究目标

1、掌握钙钛矿催化剂LaNiO₃的水热合成制备方法；

2、分析钙钛矿催化剂LaNiO₃材料的微观形貌结构与水热条件的关系；

3、钙钛矿催化剂LaNiO₃电化学性能与结构的关系。

2.3 技术方案

（1）LaNiO₃制备

以分析纯La(NO₃)₃·6H₂O、Ni(NO₃)₂·6H₂O为原材料，KOH为矿化剂，采用不同浓度的KOH研究pH对钙钛矿催化剂LaNiO₃的微观形貌的影响规律、调节水热温度、水热时间、煅烧温度和煅烧时间研究他们对钙钛矿催化剂LaNiO₃的物相、微观形貌的影响规律。

（2）纽扣电池安装

分别称取3g的催化剂和7g的Super P碳材料置于玛瑙研钵中。研磨约15-20min；然后将研钵中的混合粉料倒入装有80ml酒精的烧杯中，超声分散1h；然后置于磁力搅拌器上，室温下高速磁力搅拌2h；最后把得到的悬浮液放在鼓风干燥箱内80℃干燥12h即可制得催化剂与Super P均匀混合的黑色粉体。将上述制得的黑色粉体与PVDF粘结剂按照9:1的质量比进行混合并溶解在适量的1-甲基-2吡咯烷酮溶液中，在高速磁力搅拌器下搅拌24h得到所需的阴极浆料。浆料中催化剂：Super P：PVDF=27:63:10（质量比）。最后将上述浆料均匀涂抹在直径为15nm的碳纸上在80℃下真空干燥1h后升至120℃真空干燥12h得到所需阴极片。在充满高纯氩气的MBRAUN手套箱里组装成CR2025型扣式电池，手套箱氩气气氛水和氧气保持小于0.1ppm。其中负极采用金属锂片、电解液为LiTFSI/TEGDME、隔膜为Glass Microfiber Filters。

（3）结构与电化学性能测量

采用X 射线衍射仪测试材料的物相进行分析，采用扫描电镜进行观察所制材料的显微形貌及颗粒尺寸。

采用电化学工作站进行电池充放电测试，用来研究电极材料的充放电比容量及电化学循环性能等。

通过上述研究，探讨材料合成条件与材料结构及电化学性能的关系。

实验的整体流程图如图所示。

3. 研究计划与安排

第1—3周：查阅相关文献资料，向指导老师和学长学姐学习基础知识和流程，了解研究的瓶颈等问题；明确研究内容，制定实验方案，完成开题报告。

第4—8周：研究不同溶液pH、水热温度、水热时间、煅烧温度和煅烧时间对钙钛矿催化剂LaNiO₃的微观形貌的影响规律，并找到最佳水热条件下合成LaNiO₃。

第9—12周：探究最佳水热条件下合成的钙钛矿催化剂LaNiO₃对锂空气电池电化学性能的影响。

第13—14周：完成并修改毕业论文。

第15周：准备论文答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

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