钒氧化物纳米材料的合成及其锌离子电池性能研究
发布时间：2021-02-18 19:12
随着能源转换系统和储能技术不断地发展,各类新型的金属离子电池得到越来越多的关注。其中,可再充水系锌离子电池由于其具有高安全性、低成本、环境友好、组装便利、自然界中锌储量丰富、理论容量大、水系电解液离子电导率较高（10–1-6 S cm–1）等优势,被认为是最有前景的储能元件之一。不断研发高性能的正极材料对于可再充水系锌离子电池的商业应用具有较大意义。目前,钒氧化物材料因其丰富的元素储量、低成本、钒的多价态、理论储锌容量高（589m Ah g–1）等多重优点被认为是最有前景的锌离子电池正极材料。然而,钒氧化物材料存在导电率较低,储能机理复杂并仍然存在争议,锌离子扩散动力学缓慢等问题,从而使得电池的储锌性能不理想。本论文主要通过制备钒酸银@水合五氧化二钒（Ag0.333V2O5@V2O5·n H2O）核壳式同轴纳米电缆结构的复合材料、共轭聚苯胺和水分子共嵌入五氧化二钒得到大层间距玫瑰状聚苯胺插层氧化钒（PVO）结构和多孔碳/水合氧化钒纳米片（PC/V2O5·n H2O）来提高钒氧化物的电导率,锌离子扩散速率和锌离子储存动力学。并对上述材料进行锌离子电池性能测试和储锌机理研究。本文具体开展的...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锌离子电池的发展历史简要示意图[13]
淄榛撬嵝康缃庖海╖n(CF3SO3)2）[32]，也有文献中使用氯化锌电解液[33]、乙酸锌电解液[34]和硝酸锌电解液[35]，还有一些少量有机添加剂的电解液等[36,37]。使用锰氧化物作为电池的正极材料时，也会在电解质中加入一定量的锰盐溶液来抑制锰的溶解[38,39]。隔膜能够进行离子传输，也就是说，锌离子能够穿透隔膜来回传输，而电子不能。同时，隔膜将正负两极隔离开，有效防止电池正负极接触从而发生短路问题。正极中的活性材料做储能介质，当前，锌离子电池中所使用的正极材料的种类及其各自的特点在下文中会做详细描述。图1-3锌离子电池储能示意图[40]Fig.1-3Schematicdiagramofzincionbatteries[40]水系锌离子电池的工作原理和碱性锌基电池的工作原理不同，锌离子电池的工作模式被称为“摇椅式”电池，锌离子像“摇椅”一样在正负电极之间来回穿梭迁移[1]。如图1-3所示，在放电过程中，金属锌失去电子变成锌离子进入电解质中穿透隔膜进一步扩散并嵌入到正极材料的晶格中，此时电子经由外电路从锌负极流入到电池的正极一端。充电过程则是锌离子从正极材料的晶格中脱出，经由电解质输运，最后沉积在锌负极中，同时电子经外电路从正极流入负极中。这样，就完成一次充放电反应。理想状态来看，锌离子在正极材料中不断地嵌入/脱出，在负极材料中不断地沉积/溶解，这个过程是可逆的。在负极上发生的反应方程式为：Zn2++2eZn[10]（1-1）在正极一端的发生电化学法拉第反应比较复杂，根据正极材料的微观形貌和成分以及结构的不同而不同，主要有锌离子的嵌入/脱出反应、转换反应和锌离子与氢离子
钒氧化物纳米材料的合成及其锌离子电池性能研究6共嵌入在一定程度上减弱了其电荷密度，但水合的锌离子的嵌入脱出对正极材料的层间距等特性提出了更高的要求[11]。因此，要解决上述存在的问题要求正极材料要有较高的电势，从而在和锌负极匹配组装成电池后会有更高的电压；要求正极材料的结构稳定性高，层状材料要有较高的层间距，以便在锌离子嵌入/脱出的过程中，保持高度的可逆性，提高充放电效率；正极活性材料要有较高的电子电导率，减少极化从而提高电化学性能。还要不断总结完善锌离子电池的储能机理。1.3锌离子电池正极材料的研究进展当前，锌离子电池正极材料已经得到一定的发展，但是距离大规模应用仍需要进一步的研究。图1-4显示了当前用于水系锌离子电池的各种正极材料和锌负极的工作电压与比容量的关系。从中可以看出，目前主要有锰基氧化物、钒基氧化物、普鲁士蓝类似物、有机化合物、过渡金属硫化物、钼基化合物以及钴基化合物等作为正极材料在锌离子电池体系中得到应用。其中。普鲁士蓝类似物具有较高的工作电压但是容量较低，锰氧化物的比容量比普鲁士蓝类似物要稍高，但工作电压较低，而钒氧化物表现出容量较高而工作电压稍低的特点。同时其他有机物、钴氧化物等正极材料也有容量较低的表现，具体的各个正极材料的特点以及它们的储锌机理将在下文具体描述。图1-4当前用于水系锌离子电池的各种正极材料和Zn负极的工作电压与比容量的关系[10]Fig.1-4OperatingvoltageversusspecificcapacityforZnanodeandvariouscathodematerialspresentlyusedforzincionbatteries[10]
【参考文献】：
期刊论文
[1]A High-Capacity Ammonium Vanadate Cathode for Zinc-Ion Battery[J]. Qifei Li,Xianhong Rui,Dong Chen,Yuezhan Feng,Ni Xiao,Liyong Gan,Qi Zhang,Yan Yu,Shaoming Huang. Nano-Micro Letters. 2020(05)
本文编号：3039976
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锌离子电池的发展历史简要示意图[13]
淄榛撬嵝康缃庖海╖n(CF3SO3)2）[32]，也有文献中使用氯化锌电解液[33]、乙酸锌电解液[34]和硝酸锌电解液[35]，还有一些少量有机添加剂的电解液等[36,37]。使用锰氧化物作为电池的正极材料时，也会在电解质中加入一定量的锰盐溶液来抑制锰的溶解[38,39]。隔膜能够进行离子传输，也就是说，锌离子能够穿透隔膜来回传输，而电子不能。同时，隔膜将正负两极隔离开，有效防止电池正负极接触从而发生短路问题。正极中的活性材料做储能介质，当前，锌离子电池中所使用的正极材料的种类及其各自的特点在下文中会做详细描述。图1-3锌离子电池储能示意图[40]Fig.1-3Schematicdiagramofzincionbatteries[40]水系锌离子电池的工作原理和碱性锌基电池的工作原理不同，锌离子电池的工作模式被称为“摇椅式”电池，锌离子像“摇椅”一样在正负电极之间来回穿梭迁移[1]。如图1-3所示，在放电过程中，金属锌失去电子变成锌离子进入电解质中穿透隔膜进一步扩散并嵌入到正极材料的晶格中，此时电子经由外电路从锌负极流入到电池的正极一端。充电过程则是锌离子从正极材料的晶格中脱出，经由电解质输运，最后沉积在锌负极中，同时电子经外电路从正极流入负极中。这样，就完成一次充放电反应。理想状态来看，锌离子在正极材料中不断地嵌入/脱出，在负极材料中不断地沉积/溶解，这个过程是可逆的。在负极上发生的反应方程式为：Zn2++2eZn[10]（1-1）在正极一端的发生电化学法拉第反应比较复杂，根据正极材料的微观形貌和成分以及结构的不同而不同，主要有锌离子的嵌入/脱出反应、转换反应和锌离子与氢离子
钒氧化物纳米材料的合成及其锌离子电池性能研究6共嵌入在一定程度上减弱了其电荷密度，但水合的锌离子的嵌入脱出对正极材料的层间距等特性提出了更高的要求[11]。因此，要解决上述存在的问题要求正极材料要有较高的电势，从而在和锌负极匹配组装成电池后会有更高的电压；要求正极材料的结构稳定性高，层状材料要有较高的层间距，以便在锌离子嵌入/脱出的过程中，保持高度的可逆性，提高充放电效率；正极活性材料要有较高的电子电导率，减少极化从而提高电化学性能。还要不断总结完善锌离子电池的储能机理。1.3锌离子电池正极材料的研究进展当前，锌离子电池正极材料已经得到一定的发展，但是距离大规模应用仍需要进一步的研究。图1-4显示了当前用于水系锌离子电池的各种正极材料和锌负极的工作电压与比容量的关系。从中可以看出，目前主要有锰基氧化物、钒基氧化物、普鲁士蓝类似物、有机化合物、过渡金属硫化物、钼基化合物以及钴基化合物等作为正极材料在锌离子电池体系中得到应用。其中。普鲁士蓝类似物具有较高的工作电压但是容量较低，锰氧化物的比容量比普鲁士蓝类似物要稍高，但工作电压较低，而钒氧化物表现出容量较高而工作电压稍低的特点。同时其他有机物、钴氧化物等正极材料也有容量较低的表现，具体的各个正极材料的特点以及它们的储锌机理将在下文具体描述。图1-4当前用于水系锌离子电池的各种正极材料和Zn负极的工作电压与比容量的关系[10]Fig.1-4OperatingvoltageversusspecificcapacityforZnanodeandvariouscathodematerialspresentlyusedforzincionbatteries[10]
【参考文献】：
期刊论文
[1]A High-Capacity Ammonium Vanadate Cathode for Zinc-Ion Battery[J]. Qifei Li,Xianhong Rui,Dong Chen,Yuezhan Feng,Ni Xiao,Liyong Gan,Qi Zhang,Yan Yu,Shaoming Huang. Nano-Micro Letters. 2020(05)
本文编号：3039976
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