高能量密度长循环寿命水系离子电池的电化学行为及应用研究
发布时间：2020-04-01 22:05
【摘要】：智能电网、家庭备用电源等大规模应用的储能系统技术需具备安全性高,成本低和寿命长等特点。由于价格低廉、安全性较高,水系电池是值得发展的一种二次电池。传统的水系电池中铅酸电池占有大量市场份额,其能量密度一般为30 Wh/kg,电池含有大量有害的Pb重金属,电解液使用硫酸,大规模应用会造成严重的环境污染。长远看来,要发展环境友好的、能量密度不低于铅酸电池的、长寿命水系电池。1、对于水系电池,通常的钠离子电池材料为Na0.44Mn02,比容量为45 mAh g-1。我们通过固相反应合成NaMn02,CV扫描结果发现该材料既具有赝电容性能又有部分脱嵌钠离子性能,因此能够在1 C的倍率下表现出65 mAh g-1的高比容量。通过和磷酸钛钠负极材料进行匹配组装全电池,在50 W/kg的功率密度下能够发挥出30 Wh/kg的能量。同时我们发现电解液对电池性能影响很大。使用1 M Na2S04作为电解液,电池在500次循环后容量衰减为首次容量的25%。通过ICP-AES元素分析和XRD粉末衍射分析发现,1 M Na2S04作为电解液,正极材料在循环过程中发生不可逆的结构坍塌并且锰元素溶解严重。使用2 M CH3COONa作为电解液,电池在500次循环后仍然能够保持首次容量的 75%。2、水系电解液本身窄的电化学稳定窗口(1.2V)导致了水系电池工作电压和能量密度低。通过向电解液中添加十二烷基硫酸钠(SDS),改变了电解液电极界面结构,使得电解液的电化学稳定窗口拓宽到2.2 V。DFT理论计算表明,SDS分子亲水端吸附在电极表面,疏水端伸向电解液中在电极和电解液表面形成一层单分子吸附层,该吸附层可以有效抑制了析氢(析氧)反应。采用锌片作为负极材料Na2MnFe(CN)6纳米材料作为正极材料组装全电池能够输出170 Wh/kg的能量。采用高浓度电解液降低水的活度能够提高水的分解活化能,电解液的电化学稳定窗口进一步拓宽到3.2 V,首次采用TiS2作为负极材料并展现出140 mAh g-1的高比容量,全电池能量密度高达100 Wh kg-1。3、我们宏量的合成了磷酸钛钠负极材料,该材料的比容量达到130 mAh g-1,颗粒尺寸均一、压实密度高。采用锰酸锂作为正极材料,组装了 4Ah大容量电池,电池的能量密度达40 Wh kg-1高于铅酸电池的能量密度(30 Wh kg-1)。并且在100%深度充放电循环1500次后容量保留率为75%循环寿命优于铅酸电池(300次左右)。该电池成本在1.0元左右,较高的能量密度和相对低廉的价格,使得该电池基本具备了取代铅酸电池并商业化应用的可能。
【图文】：
１．１引言逡逑蓄电池在人们的生活中发挥着越来越重要的作用［１—２］。１８５９法国发明家普兰逡逑特发明铅酸电池至今己经１５０多年，，铅酸电池以其高安全性、高可靠性和低廉的逡逑价格一直是使用最广泛的蓄电池［３４］。但是铅酸电池能量密度低ＧＯＷｈｋｇ—１），逡逑忌讳深度放电，大电流充电接受能力差［５＿６］。另外，在铅矿开采和铅粉生产过程逡逑中存在重金属污染的问题。因此，相对环保的锂离子电池在各个应用领域正逐步逡逑的取代铅酸电池。锂离子电池是目前能量密度最高的化学储能蓄电池［７＿９］。然而，逡逑易燃的有机电解液使得锂离子电池安全事故频发，特斯拉电动汽车着火、三星手逡逑机爆炸等事故历历在目［１（）＿１３］。因此，开发一种既环保又安全的全新体系蓄电池成逡逑为当务之急。该电池体系使用安全无毒无污染的电解液，不含有重金属元素，能逡逑量密度可媲美甚至超过铅酸电池。水系可充电离子电池使用水系电解液并且不含逡逑有重金属元素，是一种能够满足上述要求的电池［１４］。逡逑
恶化导致电池失效。而窄的电化学稳定窗口导致可选择材料十分有限（热力学理逡逑论稳定窗口邋１．２邋Ｖ，考虑到动力学因素，水系电解液的稳定窗口一般在１．８邋Ｖ以逡逑内如图１－３），电池工作电压低。因此从经验上预计现存的体系中没有任何一种电逡逑池能够做到的实际能量密度能达到３０邋Ｗｈ邋ｋｇ＿ｌ，并且同时还具有长的循环寿命。逡逑２０Ｔ？逦￣￣—］邋ｂ逦——逡逑ｆN稀粒粒蝈澹慑义希保保卞危常板危浚玻荆蓿常埃纾у义希常板澹
本文编号：2611005
【图文】：
１．１引言逡逑蓄电池在人们的生活中发挥着越来越重要的作用［１—２］。１８５９法国发明家普兰逡逑特发明铅酸电池至今己经１５０多年，，铅酸电池以其高安全性、高可靠性和低廉的逡逑价格一直是使用最广泛的蓄电池［３４］。但是铅酸电池能量密度低ＧＯＷｈｋｇ—１），逡逑忌讳深度放电，大电流充电接受能力差［５＿６］。另外，在铅矿开采和铅粉生产过程逡逑中存在重金属污染的问题。因此，相对环保的锂离子电池在各个应用领域正逐步逡逑的取代铅酸电池。锂离子电池是目前能量密度最高的化学储能蓄电池［７＿９］。然而，逡逑易燃的有机电解液使得锂离子电池安全事故频发，特斯拉电动汽车着火、三星手逡逑机爆炸等事故历历在目［１（）＿１３］。因此，开发一种既环保又安全的全新体系蓄电池成逡逑为当务之急。该电池体系使用安全无毒无污染的电解液，不含有重金属元素，能逡逑量密度可媲美甚至超过铅酸电池。水系可充电离子电池使用水系电解液并且不含逡逑有重金属元素，是一种能够满足上述要求的电池［１４］。逡逑
恶化导致电池失效。而窄的电化学稳定窗口导致可选择材料十分有限（热力学理逡逑论稳定窗口邋１．２邋Ｖ，考虑到动力学因素，水系电解液的稳定窗口一般在１．８邋Ｖ以逡逑内如图１－３），电池工作电压低。因此从经验上预计现存的体系中没有任何一种电逡逑池能够做到的实际能量密度能达到３０邋Ｗｈ邋ｋｇ＿ｌ，并且同时还具有长的循环寿命。逡逑２０Ｔ？逦￣￣—］邋ｂ逦——逡逑ｆN稀粒粒蝈澹慑义希保保卞危常板危浚玻荆蓿常埃纾у义希常板澹
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