论文部分内容阅读
锂-氧电池由于其非常高的理论能量密度成为新一代动力能源的优秀候选者。目前,锂氧电池面临的主要问题为:放电产物Li2O2的难溶解性以及较差的导电性使其容易在正极材料的表面堆积,导致电化学极化很大,从而阻碍了放电反应的进一步进行;Li2O2的分解往往需要高于4 V（vs Li/Li+,下同）的充电电压,导致锂-氧电池较低的能量转换效率和寿命。为此,过去几年研究者们一直致力于通过各种方法来降低锂-氧电池的充电电位。本论文将半导体光催化剂WO3,g-C3N4,CoWO4引入到锂-氧电池的正极材料之中,构筑成一种新型的光辅助锂-氧电池。利用半导体材料在光照下产生的具有氧化性的空穴去氧化分解难溶的Li2O2,另一方面,光激发电子通过外电路转移到负极将Li+还原为Li,从而使得锂-氧电池的充电电位降低。主要研究内容如下:1、采用水热合成的方法在碳布的表面制备了WO3纳米线阵列的前驱体,再通过三种不同的热处理方式获得了WO3纳米线阵列。结果表明,先在空气中450℃热处理2 h,后在N2中550℃的条件下热处理2 h,所得到的WO3纳米线阵列为氧缺陷最少的单斜相WO3,其光电化学性能最为优异。将其用作锂-氧电池的正极材料在电流密度为0.06 mA cm-2的条件下进行电化学性能测试,充电过程在可见光照下进行,放电过程在暗态下进行。测试结果表明,相比于暗态下4.4 V的充电电位,光照下的充电电位可以降低至3.55 V,且能稳定循环100圈。2、采用NH4Cl作为气态模板的方法加热双氰胺得到超薄的g-C3N4纳米片,并将其喷涂在上一章所制备的WO3纳米线上,构建WO3@g-C3N4异质结,发现g-C3N4负载量为0.6 mg时WO3@g-C3N4表现出最优异的光电化学性能。对不同负载量下的WO3@g-C3N4进行不同电流密度下的充放电测试。测试结果表明,与纯的WO3相比WO3@g-C3N4在大电流密度下的充电过电位有了较大的降低。将0.6 mg负载量的WO3@g-C3N4异质结作为锂-氧电池的正极材料,在电流密度为0.1 mA cm-2对其进行光辅助下的电化学性能测试。电池循环至59圈之后充电电位仍可维持在3.85 V,与在全暗态下4.2 V的充电电位相比降低了0.35 V;与相同测试条件下的纯WO3的性能相比充放电过电位降低了0.5 V,表明WO3@g-C3N4在大电流密度下的电化学性能更为优异。3、采用水热合成法在碳布的表面制备了NiCo2O4纳米线阵列,然后将其浸泡在不同浓度的偏钨酸铵溶液中,随后进一步热处理得到CoNiO2@CoWO4复合材料。对CoNiO2@CoWO4复合材料进行光电化学性能测试,结果显示,CoNiO2@CoWO4复合材料表现出较为优异的光电化学性能,尤其是经过0.0226 mol L-1浓度浸泡获得的CoNiO2@CoWO4表现出最好的光电化学性能。将CoNiO2@CoWO4复合材料作为锂-氧电池的正极材料,在电流密度为0.06 mA cm-2进行电化学性能测试,其中充电过程在可见光照下进行放电过程在暗态下进行。测试结果表明,第一圈的充电电位为3.73 V,放电电位为2.74 V,循环50圈之后其充电电位仍可维持在3.77 V,放电电位在2.82 V。与NiCo2O4相比,其充放电过电位降低了1 V,电池的整体性能有了很大的改善。