摘要： 锂-空气电池因具相对于锂离子电池具有超高的能量密度(5.21kWh/kg vs.200Wh/kg)而备受关注，有望成为新一代的储能电池。然而它也具有许多不可避免的缺点，例如循环性能、倍率性能差，充电过电压大等。使用催化剂可以降低充电过程的过电压，提高电池效率。实验证实Co3O4等材料作为正极材料催化剂可以降低充电电压0.5～1V左右，但是锂-空气电池充电过程中的催化机理却没有人研究。揭示过渡金属氧化物在充电过程中的催化机理以及催化剂表面构型和电子结构对催化性能的影响，对设计出提高电池性能的催化剂具有十分重大的意义。在本工作中，首先根据理论计算与实验观测建立出一种全新的三相界面的计算模型分析Li2O2在催化剂表面分解的活性来揭示反应的催化机理。通过表面能的计算选择Co3O4(111)C面与(110)B面分析。计算结果表明，Co3O4(111)C面（O原子暴露面）在高的氧分压的情况下具有低的表面能和强的路易斯酸性，该面对降低充电电压和O2脱附势垒有很好的催化效果。这种催化特性来自于Li2O2向催化剂表面的电荷转移。而对于(110)B面存在两种反应的位点，在Li2O2分解的情形下具有一定的催化活性，可以降低充电电压和O2脱附势垒，但活性不及(111)C面;对于LixOy的分解，由于Co-O共存的表面结构具有一定的路易斯碱性，界面处会产生Li2O副产物和O修饰Co原子的表面，这种修饰后的表面会使后续的充电电压升高，影响了循环性能。对Co3O4(111)C面模型的掺杂计算表明P型掺杂对于降低充电电压与O2脱附势垒有着很好的效果。掺杂元素的电离能越高，催化效果越显著。根据计算结果总结出三条选择催化剂的规律:第一，表面的酸性越强，催化性能越强。第二，表面的O原子具有强的路易斯酸性，而Co原子具有强的路易斯碱性而导致了Li2O的形成。因此高的O含量的表面的催化活性更高。从制备条件上说，即在高的氧气分压条件下制备出的催化剂会具有更高的O原子的暴露面积，从而具有更高的催化性能。第三，使用高电离能的元素掺杂TMO（过渡金属氧化物）是一种提高催化活性的有效的手段。这些规律对于催化剂的选择与设计具有借鉴作用。
根据此规律，选取第四周期过渡金属氧化物进行计算，选择稳定的界面结构计算催化活性，进一步改进了选择的规律。根据表面的失电子难易程度定义出表面的酸性，不同催化剂下充电电压、O2脱附势垒和Li脱附势垒与定义的酸性呈一定相关关系。将分析的情形推广到动力学范畴，使用反应中的最大势垒作为描述催化剂活性的参数。催化性能与表面的酸性成火山状的图，由此图比较各个催化剂的催化性能并选择出一系列的性能良好催化剂如TiC，TiN等，均定性的与现有的实验结果符合。
作者：朱金振
学位授予单位：中国科学院大学
授予学位：硕士
学科专业：材料物理与化学
导师姓名：刘建军
学位年度：2015
语种：中文
分类号：TM911.41 TM910.2
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下载参考地址：
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基于第一原理的锂空气电池过渡金属氧化物催化剂筛选.pdf
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