具有分级多孔结构的锌离子电池正极材料的设计及应用

发布时间：2020-07-20 16:12

【摘要】：针对目前水系锌离子电池缺少电化学极化小且比能量高,结构稳定的正极材料。本论文的主要针对高稳定性锌离子电池正极材料的制备及性能进行研究,主要涵盖以下四部分:(1)Ni_3S_2@C纳米片复合材料的制备及其作为水系锌离子电池正极材料的性能研究。我们以二维Ni-MOFs为前驱体,经过一步碳化硫化制备出Ni_3S_2@C纳米片复合材料。通过与β-Ni(OH)_2性能对比,我们发现Ni_3S_2@C具有比β-Ni(OH)_2更高的比容量,更好的倍率性能,更低的充电电压,因此更适合应用于碱性水系锌离子电池。(2)蜂巢状Co_9S_8@C复合材料的制备及其作为水系锌离子电池正极材料的性能研究。在本章节我们尝试使用具有多电子转移氧化还原反应的Co基化合物,用作碱性水系锌离子电池的正极材料。我们以Co-MOFs为前驱体,经过一步硫化碳化,制备出具有3D蜂巢结构的Co_9S_8@C复合材料。通过与传统方法制备的Co_9S_8电极材料进行性能对比,我们发现Co_9S_8@C复合材料具有比Co_9S_8更高的比容量,更好的倍率性能,更高的循环稳定性,因此更适合应用于碱性水系锌离子电池。(3)中空海胆状多孔Co_(1-x)S@C复合材料的制备及其作为水系锌离子电池正极材料的性能研究。在本章中,我们设计了一种简单又有效的“牺牲模板引导晶体自组装”(TECSA)的方法,将纳米MOFs材料像乐高积木一样堆积,可根据设计搭建出具有特定三维结构的MOFs超结构材料。通过这种“牺牲模板引导晶体自组装”的方法我们可以制备出一系列3D结构可调的MOFs超结构。我们以ZIF-67自组装成的空心海胆状超结构为例子,通过液体柯肯达尔效应将空心海胆超结构的ZIF-67单元(HU-ZIF-67S),转化成空心多孔结构,再经过一步碳化硫化,制备出具有分级多孔空心海胆状Co_(1-x)-x S@C复合材料(HPHU-Co_(1-x)S@C)。该电极材料具有优异的电化学性能,比容量倍数于通过其他方法制备的Co_(1-x)S电极材料,并且优于大部分其他方法制备的金属硫化物。(4)为了进一步降低水系锌离子电池的成本,提高倍率性能和循环稳定性,在本章中,我们报告了一种以多孔空心炭纳米棒为正极,商业锌板为负极,ZnSO_4为电解液的高能量密度,高功率密度,长循环性能的新型的混合型锌离子超级电容器储能系统。我们通过低温自聚合,成功制备出具有空心结构的聚苯胺纳米棒,通过不同温度碳化及KOH活化,制备出具有不同比表面积及孔径分布的多孔空心炭纳米棒,该材料具有高比容量、高倍率性的电化学性能。我们认为多孔空心炭纳米棒//2M ZnSO_4//Zn电池非常满足大规模储能对于安全性,高倍率性和超长循环寿命的要求,是一种非常有潜力的储能系统。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;TM912
【图文】：

3图 1.1（a）水系 LIB 的电极材料，（b）水系 NIB 的电极材料。Figure 1.1. Electrochemical stability range of water and redox potentials for electrode materials inLIBs(a) and NIBs(b).

图 1.2 锌嵌入α-MnO2的机理[68]。1.2. Schematic illustrating the mechanism of zinc intercalation into α-M们对 Zn-α-MnO2二次电池的研究进一步深入，Liu 与其同事理[72]。他们认为在放电过程中Mn2+会从电极材料中溶解到解到电解液中的 Mn2+无法完全被回收到电极材料当中。他溶解是动态持续的，一直达到电解液中 Mn2+的溶解平衡是持续损失的。他们通过在电解液中添加 MnSO4，提高电极材料中的 Mn2+溶出，大大的提高 Zn-α-MnO2电池的的O2电池的实际容量来自 H+和 MnO2之间的转化反应，而不容量。该研究团队认为 Zn-α-MnO2二次电池的正极电池相同。Zn-MnO2二次电池和 Zn-MnO2一次电池之间的唯下在Zn电极处形成的产物的可逆性。总之，研究人员提出

10图 1.3 制备的γ-MnO2正极中 Zn 插入反应途径的示意图[67]。. Schematic illustration of the reaction pathway of Zn-insertion in the cathode[67].O2电极材料，γ-MnO2也被研究者们广泛的研究。Kim 等电池的正极材料时，γ-MnO2在充放电过程中会发生独特原位 X 射线吸收近边光谱（XANES）和同步辐射 XRD 对.3 所示，作者发现在放电初期隧道式γ-MnO2会部分转随着 Mn4+的氧化态降低至 Mn3+。随着放电深入，剩下的形γ-ZnXMn2O2。在放电终态，研究者们在放电产物中检道型γ-ZnxMn2O4和层型 ZnyMnO2的共存。在随后的充电过

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本文编号：2763664