基于过渡金属有机配合物的锂离子液流电池的研究

发布时间：2020-10-23 19:55

　　 有机分子被证明是一种可以应用于锂离子液流电池中的且极具吸引力的材料。但是,与有机分子相比,科研工作者们显然对金属有机物更感兴趣,这主要是因为金属有机物的结构稳定。在有机分子中,我们以含有羰基的有机分子为例,这些分子的氧化还原机理通常涉及到化学键的断裂和生成,这些化学反应过程往往会导致不稳定的自由基生成。而这些自由基或许会引起副反应,因此在长期循环稳定方面,电池需要进一步的优化。但是,在金属有机物中,我们以过渡金属有机配合物为例,这些分子的氧化还原机理通常只涉及到中心原子的价态变化,并且这些分子在氧化态和还愿态之间转化的过程中没有中间产物生成。此外,金属有机物分子的电子轨道结构变化所需的活化能比有机分子低,并且金属有机物分子的氧化还原动力学常数比那些应用于锂离子液流电池中的有机分子和其他氧化还原电对至少高两个数量级。1.基于铁元素的有机配合物在锂离子液流电池的应用研究这里我们介绍了一种过渡金属配合物液态阴极,[Fe(bpy)_3](BF_4)_2。这一液态阴极电对的氧化还原电压约为4V(vs Li/Li~+)。当我们使用这一液态阴极与Li_4Ti_5O_(12)阳极构建全电池时,全电池展现了超过2.2 V的工作电压和较好的循环效率。据之前文献中所报导过的方式对电池进行组装,使用溶有[Fe(bpy)_3](BF_4)_2的碳酸亚乙酯(EC)/碳酸二甲酯/(DMC)作为阴极电解液,一种锂离子导电陶瓷作为隔膜,商用的Li_4Ti_5O_(12)作为阳极。实验中的测试结果一致地证明了使用过渡金属有机配合物作为电活性材料在锂离子液流电池中应用的可行性。这一实验结果揭示了一条如何在电池中使用具有良好循环性能的过度金属配合物活性材料的通用方式。2.基于锌元素的低共熔混合物在锂离子液流电池中的应用研究发展基于新型化学机理的绿色电池是一项非常巨大的挑战,但这势必会成为未来大家几年关注的焦点。对于大规模能量存储技术而言,液流电池技术由于其独特的结构设计,正在激发越来越多科研工作者的兴趣。但是发展这项技术人面临诸多挑战,例如电池能量密度低、电解液的腐蚀性和毒性等等。这里我们使用储量丰富且价格低廉的原材料合成了一种绿色的阳极材料—锌低共融溶剂。这一液态阳极中,Zn~(2+)具有极好的溶解度,可以达到6.25 M,其中可利用的电活性的Zn~(2+)超过1.7 M,这使得电池可获得大约90 Ah·L~(–1)可逆的体积能量密度。同时,这一液态阳极具有很好的可逆性且氧化还原电压相对较低,约为–0.9 V vs.SHE。这一液态阳极为锌电池在大规模能量存储方面的研究提供一种新的探索方式。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM912;O641.4
【部分图文】：

1.1 (a) 为一个典型的锂离子电池的结构和充放电原理图，电池使用石墨为阳极材料，LiC阴极材料；(b) 为锂离子电池正负极和常用有机电解液的能量示意图电，Eg为电解液的稳定窗口；(c) 为一个典型的全钒液流电池的结构和充放电原理图；(d)为室温下，水溶电化学电势窗口。1.2.2 锂离子液流电池的结构和电化学原理锂离子液流电池是一种新型的电化学能量存储技术，它结合了锂离子电池统液流电池两者的优势。如图 1.2 (a) 所示，锂离子液流电池结构与传统的液池结构非常相似。锂离子液流电池的阴极电解液由阴极活性材料溶解在合适中构成，而阳极部分可以使用金属锂或者使用溶解在合适溶剂中的阳极活性。大量的阴极和阳极电解液则储存在外部的储液罐中，并通过外部的循环系电池主体部分相连。因此，电池的总容量可以通过储液罐中电解液的体积来

过渡金属有机配合物的锂离子液流电池的研究 第一章用来阻止正负极直接接触，同时在确保锂离子可通过的情况下阻止活性物透，防止交叉污染。如图 1.2 (b) 所示，以此典型的锂离子液流电池示意图为充电过程中，阴极电解液中的还原态活性物质运动到正极集流体表面并失变为氧化态活性物质，于此同时阳极电解液中的锂离子或氧化态活性物质负极集流体表面并得到电子变为金属锂或还原态活性物质。在充电过程中随着锂离子从阴极电解液到阳极电解液的扩散，以此来平衡溶液中的电荷阴极电解液中的还原态活性物质几乎全部氧化为氧化态活性物质或者阳极中的锂离子或氧化态活性物质几乎全部还原为金属锂或还原态活性物质时过程就结束了。而在放电过程中，阴极电解液中的氧化态活性物质运动到流体表面并得到电子变为还原态活性物质，于此同时阳极电解液中的金属原态活性物质运动到负极集流体表面并失去电子变为锂离子或还原态活。而锂离子则是从阳极电解液扩散到阴极电解液。整体过程与充电过程相反

属有机配合物的锂离子液流电池的研究 应过程是在中性状态和带负电荷状态之间变化的一类有机物。P机分子的氧化还原反应过程是在中性状态和带正电荷状态之间。而双极性有机物指的是有机分子的氧化还原反应过程可以在荷状态之间变化，也可以在中性状态和带正电荷状态之间变化
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本文编号：2853473