铝—空气电池正极材料的制备及表征

论文摘要

铝-空气电池是一种高能环保型能源,阴极氧还原电极是铝-空气电池的一个重要部分,提高它的阴极性能有助于推动高能化学电源的发展。本论文采用溶胶-凝胶法,制备阴极氧还原催化剂La0.6Ca0.4CoxMn1-xO3-δ。制备出不同x值（x从0到0.9）的催化剂La0.6Ca0.4CoxMn1-xO3-δ,考察了pH、煅烧温度、柠檬酸加入量对催化剂活性的影响。采用X-射线衍射、红外光谱、扫描电镜、X-射线光电子能谱、热重-差热、粒度分析等手段对催化剂粉末进行表征,同时利用循环伏安、线性扫描、电化学阻抗、恒流放电对氧还原电极进行测试,通过正交试验,优化钙钛矿La0.6Ca0.4CoxMn1-xO3-δ催化剂的制备工艺条件。同时对催化剂的复合、空气电极的构型以及集流体的选择进行了探讨。在La0.6Ca0.4MnO3的锰位掺杂Co,掺杂量为0.3时,催化剂催化活性最优,X-光电子能谱分析表明,x=0.3时催化剂表面吸附氧比例高,La、Ca、Mn的价态为+3、+2、+3价,Co具有两种价态+2、+3。制备溶胶的pH为4时,得到的催化剂粒径最小,为12.128 m,这主要是空间三维网络结构和颗粒团聚相互制约造成的。金属盐与柠檬酸摩尔比为1:2时,催化剂活性好。通过正交试验得到,制备La0.6Ca0.4CoxMn1-xO3-δ催化剂的优化条件为:pH=6、x=0.3、T=600℃、R=1:3。交流阻抗测试表明,空气电极的阴极极化主要是电化学电荷转移阻抗控制。扫描电镜显示,空气电极在放电后板结成块,孔径减小。将钙钛矿与MnO2、Ag分别复合时,钙钛矿与MnO2（Ag）的质量比均为0.15:0.1时,空气电极的电化学性能较好。镍网做集流体能得到更好的电池性能,这主要是因为发泡镍的多孔特性有利于氧气的传输。空气电极采用扩散层-集流体-扩散层-催化层构型不仅能得到较好的电池性能,同时可减少电解液的泄露和集流体的腐蚀。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 金属-空气电池的发展
• 1.1.1 铁-空气电池
• 1.1.2 镁-空气电池
• 1.1.3 锌-空气电池
• 1.1.4 锂-空气电池
• 1.1.5 铝-空气电池
• 1.2 铝-空气电池概述
• 1.2.1 铝-空气电池的特点
• 1.2.2 铝-空气电池原理
• 1.2.3 铝-空气电池的研究现状
• 1.3 空气电极氧还原催化剂
• 1.3.1 贵金属催化剂
• 1.3.2 二氧化锰类
• 1.3.3 过渡金属大环螯合物
• 1.3.4 钙钛矿型双功能催化剂
• 1.4 论文研究的目的、意义及内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验所用药品、制备设备以及分析仪器
• 2.1.1 实验所用药品
• 2.1.2 实验所用仪器
• 2.2 钙钛矿型催化剂粉末的制备
• 2.3 氧还原电极的制备
• 2.3.1 催化层的制备
• 2.3.2 扩散层的制备
• 2.3.3 空气电极的组装
• 2.4 催化剂粉末的物理表征
• 2.4.1 X 射线衍射测试（XRD）
• 2.4.2 热重-差热分析（TG-DTA）
• 2.4.3 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）
• 2.4.4 扫描电镜（SEM）
• 2.4.5 X 射线光电子能谱（XPS）
• 2.4.6 粒度分析
• 2.5 空气电极的电化学表征
• 2.5.1 线性扫描（LSV）
• 2.5.2 循环伏安测试（CV）
• 2.5.3 电化学阻抗测试（EIS）
• 2.6 铝-空气电池恒流放电表征
• 第3章 钙钛矿型催化剂的制备及表征
• 0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ允许因子的计算'>3.1 La_0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ允许因子的计算
• 0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ的制备及表征'>3.2 La_0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ的制备及表征
• 0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ的制备'>3.2.1 La_0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ的制备
• 0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ粉末的结构及形貌表征'>3.2.2 La_0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ粉末的结构及形貌表征
• 0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ的电化学表征'>3.2.3 La_0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ的电化学表征
• 3.2.4 不同x 值的XPS 比较分析
• 3.2.5 空气电极放电前后SEM 对比
• 0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.6）影响探究'>3.3 pH 对La_0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.6）影响探究
• 0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.6）粉末的制备'>3.3.1 不同pH 条件下La_0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.6）粉末的制备
• 0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.6）催化剂的表征'>3.3.2 不同pH 下La_0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.6）催化剂的表征
• 3.3.3 不同pH 下所得催化剂的电化学表征
• 0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.3）影响探究'>3.4 煅烧温度对La_0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.3）影响探究
• 0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.3）的制备及表征'>3.4.1 不同煅烧温度下La_0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.3）的制备及表征
• 3.4.2 电化学性能表征
• 0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.3）影响'>3.5 金属离子与柠檬酸比对La_0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.3）影响
• 0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.3）的制备'>3.5.1 不同R 值La_0.6Ca_0.4Co_xMn_1-xO_3-δ（x=0.3）的制备
• 3.5.2 不同R 值空气电极的电化学表征
• 3.6 正交试验
• 3.6.1 催化剂粉末的物理表征
• 3.6.2 空气电极的电化学表征
• 3.7 本章小结
• 第4章 氧还原复合型催化剂初探
• 4.1 与二氧化锰的复合
• 2 复合空气电极的电化学表征'>4.1.1 与MnO₂复合空气电极的电化学表征
• 4.2 与银粉的复合
• 4.2.1 与Ag 粉复合空气电极的电化学表征
• 4.3 本章小结
• 第5章 空气电极影响因素初探
• 5.1 氧还原电极构型比较
• 5.2 集流体的选择
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢