随着能源危机和环境问题的日益严重,寻找新的清洁能源来满足社会发展的需求是一项十分重要的课题。锂空气电池具有超高的理论比能量(11140 Wh kg^-1),被广泛认为是一种极具潜力的能够替代汽油成为汽车新动力源的电池。然而,锂空气电池的电极反应效率并不理想,存在过电势高、实际比容量低、循环寿命短等问题。近些年来,研究者们试图寻找合适的阴极催化剂来解决上述问题,但至今为止没有一种完美的催化剂能同时克服锂空气电池的上述缺点。锂空气电池阴极催化剂的种类繁多,本论文选择以La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ(LSC)为钙钛矿型催化剂,研究LSC及其掺杂对阴极反应催化机理的影响,并对催化剂的反应机理进行了研究。本论文采用溶胶凝胶法制备催化剂材料,具体的合成工艺为:先将化学计量比的硝酸盐均匀混合并烘干制得干凝胶,然后将干凝胶置于马弗炉中500°C下燃烧15 min,最后在900°C下煅烧6 h得到LSC粉末。掺Ni或Mn的LSC样品制备工艺流程与LSC一致。采用X射线衍射(XRD)、热重-示差扫描热量计(TG-DSC)、扫描电镜(SEM)、光电子能谱(XPS)和比表面积(BET)等手段对LSC及其掺杂样品进行结构分析。XRD测试结果显示通过该方法可以合成纯相的LSC;当掺杂量不高于10%时,掺杂样品的XRD图显示为纯相,高于10%时掺杂样品的XRD中出现少量的氧化物相。SEM图谱显示LSC样品的表面呈现疏松多孔状且平均粒径约为100 nm;掺杂对样品晶粒尺寸的影响不明显。XPS测试结果表明Ni掺杂使得样品表面的吸附氧增加。LSC的比表面积为4.59 m²g^-1、介孔平均孔径为12.36 nm、平均孔体积为0.0142 cm³ g^-1。锂空气电池阴极的各种材料组成及比例、混合均匀度等对其性能有影响。在本文中阴极的制备过程如下:将催化剂、碳载体和粘结剂按照27:63:10的质量比超声搅拌数小时后涂覆在金属镍网上制得锂空气电池阴极。再按照集流体/金属锂片/玻璃纤维隔膜/阴极片/集流体的顺序组装成锂空气电池并置于电池模具中进行测试(电解液为1M的双三氟磺酰亚胺锂/环丁砜)。测试对象包括La_0.6Sr_0.4Co_1-xM_xO_3-δ/Super P(M=Ni,Mn x=0,0.5,0.1)和纯Super P电极;测试内容包括线性/循环伏安曲线、充放电性能、循环性能和交流阻抗测试。负载催化剂后阴极的氧还原(ORR)和氧析出(OER)反应效率提高。与纯Super P电极相比,La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ/Super P电极拥有更高的首次放电比容量(4420mAh g^-1)和更长的循环寿命(25次)。电流密度和放电深度都会影响电极的循环性能,其中后者影响更大。因为电流密度和放电深度的增加都会导致电极的电荷转移阻抗(R_ct)增长更迅速、电导率下降更快。电极的倍率性能与催化反应的速率有关。Ni掺杂时以二价为主存在于LSC中,相对于Co(三价为主)属于低价掺杂,掺Ni能够增加催化剂的氧空位从而改善电极的ORR和OER催化活性。研究结果表明:电极的催化活性和首次放电比容量按照以下顺序递增Pure Super P0.6Sr_0.4CoO_3-δ0.6Sr_0.4CoO_3-δ/Super电极。在相同测试条件下,La_0.6Sr_0.4Co_0.9Ni_0.1O_3-δ/Super P电极的循环寿命(33次)高于La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ/Super P(25次)和纯Super P电极(13次)的寿命。La_0.6Sr_0.4Co_0.9Ni_0.1O_3-δ/Super P电极的循环性能研究表明:在100-500、100-800、200-500以及200-800(mA g^-1电流密度-mAh g^-1截止放电容量)测试条件下,La_0.6Sr_0.4Co_0.9Ni_0.1O_3-δ/Super P电极的循环分别维持了33、14、25和8次。与La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ/Super P电极相比,10%Ni掺杂量的电极倍率性能提高、循环寿命小幅增加、循环过电势增幅变小以及充放电容量保持能力增强。影响电极循环寿命的因素较多,催化剂材料在工作环境中的稳定性是重要因素之一。Mn的稳定性优于Co,Mn掺杂可提高材料的稳定性有利于催化剂长期高效的催化,从而改善电极的循环性能。研究结果表明:电极的催化活性和首次放电比容量按照以下顺序递增Pure Super P0.6Sr_0.4CoO_3-δ0.6Sr_0.4Co_0.9Mn_0.1O_3-δ/Super P电极的循环寿命(53次)高于La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ/Super P(25次)和纯Super P电极(13次)。La_0.6Sr_0.4Co_0.9Mn_0.1O_3-δ/Super P电极的循环性能研究表明:在100-500、100-800、200-500以及200-800(mA g^-1电流密度-mAh g^-1截止放电容量)测试条件下,La_0.6Sr_0.4Co_0.9Mn_0.1O_3-δ/Super P电极的循环分别维持了53、16、37和8次。与La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ/Super P电极相比,10%Mn掺杂量的电极循环寿命提高、循环过电势增幅变小以及充放电容量保持能力增强。LSC是一种催化性能良好的锂空气电池阴极催化剂。通过掺Ni可以提高材料的氧空位,改善电极的倍率性能;通过掺Mn可以提高材料的稳定性,改善电极的循环性能。