论文部分内容阅读
相比于目前商用的锂离子电池,可充电锂-氧气（Li-O2）电池具有更高的理论能量密度(3608 Wh kg-1),被认为是最有希望的下一代储能装置之一。然而,Li-O2电池缓慢的氧还原和氧析出反应限制了其进一步发展。开发高活性和高稳定性的正极催化剂是解决这一问题的关键所在。二硫化钼（MoS2）具有优异的催化活性和良好的化学稳定性等特点,在储能体系中具有广泛的应用前景。然而,MoS2固有的导电性差、活性位点暴露不充分和易团聚等缺点限制了其在Li-O2电池的催化性能。本文主要采用水热法和浸渍还原法,制备形貌可控的MoS2基催化剂并有效调控其表面结构,系统地研究其在Li-O2电池体系的催化活性和稳定性。结果表明:（1）采用水热法可制备形貌可控的三维（3D）介孔互连网络层状结构的MoS2和CNTs复合催化剂（MoS2/CNTs）。复合材料中均匀分散的CNTs不仅可以增强整个正极的导电性,还能避免MoS2纳米片的堆叠,并保持其结构完整性。此外,3D介孔互连网络结构可以有效促进O2和Li+的扩散以及电解质的渗透,并为放电产物提供丰富的存储空间。电化学测试结果表明,与MoS2和CNTs基正极相比,MoS2/CNTs基Li-O2电池具有更高的放电容量(200 mA g-1时为6904 mA h g-1)、更低的过电位（放电/充电过电位约为0.29和1.05 V）、优异的倍率性能(在500 mA g-1时,其能量效率和容量保持率为64.5%和79.17%)和优异的循环稳定性（132次）。（2）通过溶胶-凝胶法和水热法可制备形貌可控的MoS2纳米片原位生长的中空碳微球复合催化剂（MoS2/HCS）。HCS基底不仅可以分散MoS2纳米片,还能使复合材料保持高导电性。此外,MoS2对HCS的表面修饰可以有效解决HCS基正极的不稳定性。电化学测试结果表明,与基于单组分（MoS2和HCS）的Li-O2电池相比,MoS2/HCS基Li-O2电池具有更高的放电容量(4010 mA h g-1)和更好的循环稳定性（104次）。XPS结果表明,MoS2/HCS正极有效抑制了Li2CO3和其他副产物的形成。（3）通过水热法和静置法在碳布上成功实现了原子Pd掺杂诱导的金属相1T-MoS2纳米片阵列（Pd-TMS/CT）。这种新型多孔纳米片阵列结构具有较大比表面积,有助于Li+和O2的扩散以及电解质的渗透。此外,1T-MoS2具有高的导电性、高的离子和质量传输能力、其边缘和基面均具有较高的催化活性等优点,有助于增强整个纳米片阵列的连续电子转移。电化学测试结果表明,与2H-MoS2基正极相比,Pd-TMS/CT基电池具有较高的放电容量(7441 mA h g-1)、较低的过电位和显著提升的循环性能（622次）。此外,利用Pd-TMS/CT正极的柔韧性,组装的袋式电池可以在弯曲条件下正常工作,并具有良好的可循环性。（4）通过两步水热法在碳布上可制备形貌可控的二元过渡金属CoNi2S4纳米棒阵列（CNS-RAs/CT）。这种无粘结剂结构有利于催化剂和基底间的快速电子转移以及O2和Li+的有效扩散,并提高电化学反应速率。具有高表面积和大开放空间的介孔结构可以提供大量暴露的催化活性位点,并能够为Li2O2产物的沉积提供足够的空间。此外,均匀覆盖在CT基底上的纳米棒阵列可以有效地避免由碳质正极引起的腐蚀。电化学测试结果表明,CNS-RAs/CT正极可实现5438 mA h g-1的高容量、降低的过电位（1.55 V）以及显著改善的循环稳定性（588次）。