摘 要

可再充电的锂-氧（Li-O₂）电池是电化学储能领域的后起之秀，因为它理论上可以储存比现有的锂离子电池多5-10倍的能量，而被当成是一种有前途的锂离子电池替代品。然而，锂-氧（Li-O₂）电池的发展现如今仍然面对着许多关键的挑战，主要表现为低充电/放电往返效率和较差的循环稳定性，电解质分解，锂金属阳极腐蚀以及阴极氧缓慢反应动力学等问题。因此，开发出可引导Li₂O₂可控生长和分解，从而降低过电位，提高循环稳定性的阴极催化剂继而成为了研究热点。

本论文成功的通过水热法合成了基于负载在泡沫镍上的无碳和无粘合剂自支撑MgCo₂O₄阴极纳米阵列催化剂材料。并通过查阅大量文献初步了解了锂-氧气电池的反应机理，和采取XRD和SEM这两个表征手段成功表征了MgCo₂O₄@Ni的成分和形貌。同时将Co₃O₄@Ni纳米阵列材料和MgCo₂O₄@Ni纳米阵列材料的电性能进行对比，发现在室温下，电位范围2.3-4.3V，电流密度为0.1 mA·cm^-2时测得混合MgCo₂O₄的Ni泡沫阴极得到的分级多孔和类似于仙人掌结构呈现更出色的电化学性能。

关键词：锂-氧电池；过电位；无碳；无粘结剂；纳米阵列

Abstract

The rechargeable lithium-oxygen (Li-O₂) battery is a rising star in the field of electrochemical energy storage, because of it can theoretically store 5-10 times more energy than existing lithium-ion batteries, it has been used as a promising alternative to lithium-ion batteries. However, the development of lithium-oxygen (Li-O₂) batteries is still facing many key challenges, mainly manifested as low charge/discharge cycle efficiency and poor cycle stability, electrolyte decomposition, lithium metal anode corrosion, and cathode oxygen slow reaction kinetics issues. Therefore, developed controlled growth and decomposition of Li₂O₂, so as to reduce the overpotential, catalysts that improve cycle stability have subsequently become a research hotspot.

In this dissertation, we successfully synthesized a carbon-free and binder-free self-supporting MgCo₂O₄ cathode nano-array catalyst material supported on foamed nickel by hydrothermal method. Preliminary understanding of the reaction mechanism of lithium-oxygen batteries by consulting a large number of literature and the ingredient and morphology of MgCo₂O₄@Ni were successfully characterized by XRD and SEM . At the same time, compare the electrical properties of Co₃O₄ @Ninano-array materials and MgCo₂O₄ @Ninano-array materials, discovered at room temperature, with a potential range of 2.3-4.3 V and a current density of 0.1mA•cm⁻², the Ni-foamed cathode with mixed MgCo₂O₄ was measured to obtain better electrochemical performance than the hierarchical porous and cactus-like structures.

Key Words：Lithium-oxygen batteries；Overpotential；Carbon free；Binderless；Nanoarray

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锂氧气电池发展、反应机理及分类 1

1.2.1锂氧气电池的发展历程 1

1.2.2锂氧气电池的工作机理 2

1.2.3锂氧气电池的分类 3

1.3锂氧气电池的正极关键材料 3

1.3.1碳材料及金属碳化物 4

1.3.2贵金属及其化合物 5

1.3.3非贵金属及其化合物 5

1.4本文的主要研究内容 6

第2章 制备MgCo₂O₄@Ni催化剂及电催化ORR/OER性能 8

2.1前言 8

2.2实验部分 8

2.2.1原料与试剂 8

2.2.2材料制备 8

2.2.3材料表征 9

2.2.4电极制备及电化学测试 9

2.3结果与讨论 10

2.3.1 MgCo₂O₄@Ni和Co₃O₄@Ni的SEM及XRD图 10

2.3.2首次充放电曲线测试 12

2.3.3循环性能测试 12

2.4小结 13

第3章 总结与展望 15

参考文献 16

致 谢 18

第1章 绪论

1.1 引言

煤、石油等是当今世界上很重要的化石能源，但是这些化石能源的燃烧会导致灰霾、全球变暖、酸雨和光化学烟雾等区域性大气污染问题频繁发生。因此，合理平衡环境保护和能源利用之间的关系是当今社会稳步发展的关键，它关系到人类的前途和命运^[1-3]。目前世界各个国家都在努力的开发可持续利用的新能源，例如锂-氧气电池由于其高的能量密度、体积小、质量轻、成本低、无污染等优点受到了世界地广泛关注，被认为是替代锂离子电池下一代新的储能系统。

另外，金属Li作为负极具有很高的理论比容量，并且作为该电池正极活性物质的氧气，来自于电池系统周围的大气，所以不必直接装载到电池中，这种极大地大大降低了电池装置的成本，并且不会产生氮氧化合物、一氧化碳等污染空气的气体，从而造成对环境的二次污染。这吸引了世界各国的科学家对其进行研究，并且也取得了较大的进展。但是相对于锂离子电池而言，锂-氧气电池的研发还是存在一些关键性的问题，比如电化学性能不理想，极化严重，以及金属Li的负极腐蚀等，这些都严重阻碍了Li-O₂电池的研究进程。然而改进该电池的催化剂材料可以引导Li₂O₂可控生长和分解，从而降低过电位，提高循环稳定性。因此，开发出高性能的阴极催化剂是锂-氧气电池大规模发展和走向产业化的第一步。

1.2 锂氧气电池发展、反应机理及分类