新型镍—铁电池纳米阵列电极的制备、性能及其器件研究

发布时间：2020-06-24 22:30

【摘要】：镍-铁二次碱性电池因其能量密度大,功率密度高,正负电极原材料来源广泛且价格低廉,以及生产和使用过程污染小等优点而成为新一代绿色动力电池的有力竞争者。然而,在将其广泛地进行商业化推广之前,镍-铁二次电池还有一些明显的不足之处,最主要的缺陷就是该类电池循环稳定性差。其次,随着可穿戴智能设备的发展,市场对柔性储能装置的需求日渐增大,因此,可弯曲柔性镍-铁二次电池有待进一步研究。通过前期研究发现,镍-铁二次电池的循环稳定性差主要源于铁负极的活性物质在反复充放电过程结构的垮塌。基于此,本论文首先通过尝试电化学沉积包覆二氧化钼的方法来提高负极材料的循环稳定性,以铜镍氧化物纳米线为正极材料,组装了新型水系薄膜型镍-铁二次电池,并系统研究了其储能特性;其次,发现电沉积的方法对负极循环稳定性提高效果不佳,进一步通过滴加葡萄糖溶液,然后退火碳包覆的方法,来提高负极材料的循环稳定性,再以铜镍氧化物纳米线为正极材料组装电池,除在水系中组装外,还以KOH/PVA凝胶为电解质,制备了柔性准固态镍-铁二次电池,并系统研究了其储能特性。具体研究内容包括:1.通过使用简便的水热法,FeOOH纳米棒阵列均匀生长在碳布上。然后通过电沉积方法,进一步高温退火方法得到均匀的二氧化钼包覆四氧化三铁(Fe_3O_4@MoO_2)纳米棒阵列。通过包覆二氧化钼来提高电极材料的循环稳定性。三电极体系测试的结果表明,Fe_3O_4@MoO_2复合纳米棒阵列电极作为工作电极可以提高纯的铁氧化物电极的单位面积储存电荷量和循环稳定性。以Fe_3O_4@MoO_2纳米阵列为负极,以铜镍氧化物纳米线作为正极,组装得到了新型薄膜型纳米阵列镍-铁二次电池。在以氢氧化钾溶液为电解液的水系全电池测试中,所制备的水系新型薄膜型纳米阵列镍-铁二次碱性电池在2 mA/cm~2的电流密度下可以获得1.2 V放电平台电压;在10mA/cm~2的电流密度下循环400次以后,镍-铁二次电池可以保持初始容量的60%。2.通过使用简便的水热法,FeOOH纳米棒阵列均匀生长在碳布上。然后滴加葡萄糖溶液于电极材料表面,高温退火得到均匀的Fe_3O_4@C复合电极材料。将其取名“碳胶”,“碳胶”包覆来提高电极材料的循环稳定性。三电极体系测试的结果表明,Fe_3O_4@C电极作为工作电极进行可以提高纯的铁氧化物电极的单位面积储存电荷量和循环稳定性。以Fe_3O_4@C电极为负极,以铜镍氧化物纳米线为正极,以氢氧化钾水溶液为电解液,组装得到了水系镍-铁二次碱性电池。在水系全电池测试中,镍-铁二次电池在1.5 mA/cm~2的电流密度下放电电压平台可以达到1.2 V,在12 mA /cm~2的电流密度下循环2000次以后,可以保持初始的容量82%。除此之外,以KOH/PVA凝胶作为电解质,我们成功地制备了柔性准固态镍-铁二次电池,测试结果表明,所制备的器件的最高体积能量密度为3.34 mWh/cm~3,最高体积功率密度为278.24 mW/cm~3;在10 mA/cm~2的电流密度下循环5000次以后,可以保持初始的容量85%。
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM911.14
【图文】：

形貌,纳米线阵列,倍率,纳米棒

２．３．１四氧化三铁＠二氧化钼纳米棒阵列负极的表征逡逑通过一步水热法制备的前驱体ＦｅＯＯＨ纳米棒阵列的具体形貌不同倍率图片逡逑如图２－１所示。从图２－１邋ａ中可以明显看到，碳纤维表面均匀覆盖着纳米棒阵列。逡逑从图２－ｌｂ，邋ｃ中可知，ＦｅＯＯＨ纳米棒紧密排列，ｄ图可以看出ＦｅＯＯＨ纳米棒表逡逑面光滑，其直径为３０－５０邋ｎｍ。逡逑ｍｍ逡逑图２－１邋（ａ－ｄ）邋ＦｅＯＯＨ纳米线阵列在不同倍率下的ＳＥＭ图。逡逑在这项实验的第二步中，通过电沉积的方法将二氧化钼的前驱体沉积包覆在逡逑ＦｅＯＯＨ纳米棒的表面，具体实验中，将制备好的前驱体ＦｅＯＯＨ纳米棒接在工作逡逑电极，饱和甘汞（ＳＣＥ）电极接在参比电极，铂（Ｐｔ）片接在对电极，钼酸铵和葡萄逡逑１０逡逑

循环次数,电沉积,倍率,纳米棒

自然冷却至室温后取出电极材料后进行下一步实验。电沉积过程中循环次数逡逑为１０次的电极材料的ＳＥＭ图（如图２－２邋ａ－ｂ所示），循环次数为２０次的电极材料逡逑ＳＥＭ图（如图２－２ｃ－ｄ所示）。逡逑图２－２邋（ａ－ｂ）是电沉积循环次数为１０次的不同倍率ＳＥＭ图逡逑（ｃ－ｄ）是电沉积循环次数为２０次的不同倍率ＳＥＭ图逡逑可以看得出来在前驱体ＦｅＯＯＨ纳米棒表面，有一层物质覆盖在其表面。显逡逑而易见，循环次数为２０次的比循环次数为１０次的前驱体ＦｅＯＯＨ纳米棒上表面逡逑物质要多一些，包覆物质要厚一些。通过上面的图片很容易验证了电沉积上去的逡逑物质与循环次数近乎是线性关系。逡逑电沉积循环次数为４０次的电极材料的ＳＥＭ图（如图２－３邋ａ－ｂ所示），电沉积逡逑循环次数为６０次的电极材料的ＳＥＭ图（如图２－３邋ｃ－ｄ所示），通过扫描电镜可以逡逑１１逡逑

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