摘 要

随着科技的进步和社会的发展，较低能量密度的锂离子电池慢慢的不能满足人们生活和生产的需要，有着很高理论能量密度的锂空气电池成为研究热点，但是锂空气电池在距离商业化应用仍然有很多困难，主要是因为其ORR(氧还原反应)和OER（析氧反应）动力学过程太慢进而严重限制了其实用。阴极催化剂不仅可以有效加速OER、ORR反应，还在降低锂空气电池过电位，提高循环稳定性等方面扮演着至关重要的角色。钴酸铜是一种尖晶石类过渡金属氧化物，是一种性能良好的双功能催化剂，有很好的应用前景。相比于其他主要的催化剂如贵金属、碳材料等，钴酸铜价格便宜，不易发生副反应。本文通过水热法制备了针状结构的钴酸铜，并通过电化学沉积将氧化镍与钴酸铜复合形成了核壳结构的复合材料，以这种核壳结构的复合材料作为催化剂研究其在锂空气电池中的催化性能。

首先通过水热法制备了均匀生长的纳米针状结构的钴酸铜，然后为了提升其OER性能，因为可以通过调整氧化镍的形貌来提升氧化镍的OER性能，所以通过电沉积法将氧化镍与钴酸铜复合形成了具有核壳结构的复合材料。在电流340μA，定容500μA h 的条件下，装配的锂空气电池成功的循环了180圈，当电池循环到40圈时过电位为1.69V，电池性能的大幅度的性能提升归功于氧化镍与钴酸铜的协同以及核壳结构所具有的更 大的比表面积。

关键词：锂空气电池 阴极催化剂 钴酸铜 氧化镍 核壳结构

Preparation of Copper Cobaltate@Metal Oxide Composite by Hydrothermal Method and Its Electrochemical Properties

Abstract

With the progress of science and technology and the development of the society, the low energy density of lithium ion batteries gradually cannot meet the needs of the people's life and production, has a theory of high energy density lithium air batteries become a research hotspot, but lithium air batteries from the commercial application of still have a lot of difficulties, mainly because of its ORR (oxygen reduction reaction) and OER, oxygen evolution reaction kinetics process is slow and seriously limits the actually use.Cathode catalysts can not only effectively accelerate OER and ORR reactions, but also play a crucial role in reducing overpotential of lithium-air batteries and improving cycle stability.Copper cobalt oxide is a kind of spinel transition metal oxide, which is a kind of bifunctional catalyst with good performance.Compared with other major catalysts such as precious metals and carbon materials, copper cobalt is cheap and less prone to adverse reactions.In this paper, the acicular structure of copper cobalt was prepared by hydrothermal method, and the core-shell structure was formed by electrodeposition of nickel oxide and copper cobalt.

First prepared by hydrothermal method on the growth of the uniform nano acicular structure of cobalt acid copper, the acicular structure has great specific surface area, and then in order to improve its OER performance, because you can adjust the morphology of nickel oxide to enhance OER performance of nickel oxide so by electrodeposition method to nickel and cobalt acid copper oxide compound formed with core-shell structure composite materials.Under the conditions of 340 A current and 500 A h constant volume, the assembled lithium-air battery successfully circulates 180 cycles. When the battery circulates to 40 cycles, the overpotential is 1.69v. The significant performance improvement of the battery is attributed to the synergistic effect of nickel oxide and copper cobalt and the larger specific surface area of the core and shell structure.

Keyword： Lithium Air battery；Cathode Catalyst；Copper Cobalt；Cxide Cickel Core-shell structure

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1锂空气电池概述 1

1..2锂空气电池原理 1

1.3阴极催化剂研究现状 2

1.3.1碳材料 3

1.3.2贵金属及其合金 4

1.3.3过渡金属氧化物 5

1.4 钴酸铜在锂氧电池中催化性能的研究进展 6

1.5氧化镍在锂氧电池中催化性能的研究进展 7

1.6钴酸铜的制备方法 7

1.7研究目的与研究内容 8

第二章 实验仪器与方法 9

2.1实验试剂 9

2.2材料表征 11

2.2.1 X射线衍射分析 11

2.2.2 扫描电镜分析（SEM） 11

2.3集流体的预先处理（碳布） 11

2.4纽扣式锂空气电池的组装与测试 12

第三章 可控合成氧化镍@钴酸铜核壳结构及其对锂空气电池的催化性能研究 13

3.1 引言 13

3.2 实验部分 13

3.2.1 制备有特殊形貌的钴酸铜与氧化镍复合形成核壳结构 13

3.2.2 制备NiO@ CuCo₂O₄工作电极 14

3.3 结果与分析 14

3.3.1 NiO@CuCo₂O₄的组成与形貌分析 14

3.3.2 电池性能分析 18

第四章 总结与展望 20

4.1 总结 20

4.2 展望 20

参考文献 22

第一章 绪论

1.1锂空气电池概述

现如今，化石燃料满足了社会极大部分的能源需求，在化石能源的使用过程中会产生大量的污染物质，例如会直接向大气中排放大量的CO₂。因为能源危机与传统能源的大量开采与使用所带来的环境污染问题，导致全球环境恶化也引起了人们更多地关注。目前用于汽车的石油占据了全世界初级能源的34%，造成了巨大的环境和经济问题，但是如果以电能作为主要能源将大大减少CO₂的排放，缓解目前严重的温室效应；根据从原油到汽车理论计算，一辆纯电动汽车比汽油动力汽车所产生的温室气体要少25%^【1】，如果采用新能源发电，这一数值将会更大，所以新能源汽车正在逐渐取代传统燃油汽车成为主流。目前，新能源汽车主要使用锂离子电池作为动力来源，但是因为锂离子电池的能量密度不够高，在很大程度上限制了新能源汽车的一次充电续航里程。社会对未来能源储存系统的需求不断增加，推动了电池研究的快速发展。为了满足目标应用于电动汽车和电网存储，各种电池系统，如锂离子电池、锂硫电池等已经被研究。从前几年开始，有超高能量密度的锂空气电池逐渐受到了科研工作者的青睐。

1..2锂空气电池原理

锂空气电池主要结构为锂片（阳极）、电解液、含有催化剂的空气电极（阴极）。锂空气电池的工作原理如下（式1-1,1-2,1-3）：放电时发生氧还原反应(ORR)，锂离子以电解液为媒介到达空气电极并且和氧气发生反应生成过氧化锂，理想情况下开路电压为2.96v；充电的时候发生析氧反应（OER）：通过外加电压使过氧化锂分解成为氧气和锂离子。因为锂空气电池的总反应是可以完全实现可逆循环，并且整个过程对自然环境友好，所以锂空气电池是一种绿色环保的储能技术。因为氧气可以从空气中获取，其质量也可以直接忽略，所以以阴极锂片计算电池比容量，可以达到3500Wh kg^-1,甚至可以和高能汽油相当（13000 Wh kg^-1）^【2】，因此锂空气电池具有特别好的应用前景。

负极：2Li(s)↔ 2Li (l) 2e^- (1-1)

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