微型镍铋碱性电池的构筑与储能性能研究
发布时间：2021-09-25 12:28
随着电子产品和微型器件的快速发展,人们对于高度集成、具有优异电化学性能的微型储能器件的需求不断增长,具有优异储能性能的平面微型器件受到了极大关注。与微型超级电容器相比,微型电池的能量密度高,在微型电子产品与医疗设备等领域具有巨大的应用潜力。然而,就传统电池而言,复杂的微制造工艺和封装技术阻碍了其在微型储能领域中的应用。因此,开发一种对环境友好、成本低的微型电池,实现其平面微型化尤为重要。水系可充电的微型镍铋电池以其宽的工作电位,高容量和环境友好性等特点,成为微型电池研究的焦点。但是,微型镍铋电池循环过程中材料结构崩塌,会导致其较低的循环性能。如何提高微型镍铋电池的循环稳定性,构筑具有优异储能性能的微型镍铋电池是镍铋电池微型化的关键。基于此问题,本文旨在使用简单易控的光刻、蒸镀、电沉积工艺来制作容量高、循环性能稳定、倍率性能良好的微型电池。通过微加工工艺与材料合成方法相结合,构筑了具有长循环寿命的微型镍铋电池。随后对其进行表征与电化学测试,进一步分析材料电沉积合成原理,探讨器件储能电化学过程。主要研究结果为:（1）采用光刻-显影技术、物理气相沉积工艺和电化学沉积技术制作了平面微型镍铋电池...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碱性电池结构示意图[24]
5用混合电解质精确平衡的KOH:LiOH比例可以大大提高MnO2-Zn电池的总循环特性，表明此材料的理论容量的稳定保留受到不同电解液比例、循环时工作电压以及物质掺杂的影响。图1-2（a）γ-MnO2在标准碱性电池中的反应机制，(b)软锰矿与MBDB在不同电解液中的比容量对比图，（c）基于MBDB的器件充放电过程的原位EDXRD研究，（d）软锰矿与MBDB在不同电解液中的放电性能图[34]（2）镍基正极材料镍的氧化物、氢氧化物具有高氧化还原电位、高理论容量、来源丰富、低毒性、低成本等优点。其常与锌负极组装成水系碱电池。自镍锌电池发明一个多世纪以来，镍锌电池得到了广泛的关注。电池的高电压特性有利于制备出高能量、安全且廉价，在各种应用领域中具有巨大潜力的能量存储设备。但是充放电过程中镍基正极材料的不可逆性以及锌负极枝晶的形成限制了镍锌电池的进一步发展，取得高容量的同时，如何提高其循环稳定性是镍锌电池研究取得突破的关键。为了解决这个问题，科研人员致力于设计具有良好形貌和纳米结构的镍基正极材料。例如中空结构，多孔结构和分层结构等，有效增强镍基正极的储能性能。目前已经设计研究了氧化镍的纳米片结构[35]，Co3O4@NiO纳米带@纳米棒阵列
6结构[36]等对于材料性能的影响。Zeng等人[37]于2017年在AdvancedMaterials上报道了基于Ni-NiO异质结构纳米片正极的超稳定的柔性准固态镍锌电池，如图1-3所示。通过简便、高效的水热和热处理工艺制备了多孔异质结构Ni-NiO纳米片，用于解决镍基正极材料充放电过程中不可逆的问题。NiO基质嵌入了Ni纳米颗粒，材料具有丰富的介孔结构，镍纳米颗粒的引入，改善了其导电率，加快了离子的传输，提高了储能性能，充放电过程中具有比纯NiO更长的放电平台。在3.7Ag-1的电流密度下，Ni-NiO电极储存的容量为5.78mAhcm-2。水系电解液中循环10000圈后容量仅衰减3.4%，在聚合物电解液中，电流密度为22.2Ag-1时，10000次循环后容量保持率超高，几乎没有衰减。最大的能量密度为6.6μWhcm-2，取得20.2mWcm-2的优异的功率密度。并且，在各种弯曲程度下测试其充放电性能，容量几乎保持不变。这种纤维状的镍锌电池将极大地丰富用于未来便携式、可穿戴电子设备应用的能量存储技术。图1-3Ni-NiO的微观结构：(a)SEM图，(b)TEM图，(c)高分辨率的透射电镜图（HRTEM），其中右上角黄色、橙色区域为HRTEM图像，(d)柔性准固态纤维型Ni-NiO//Zn电池示意图，(e)Ni-NiO//Zn电池的循环性能[37]Gong等人[19]于2014年在Energy&EnvironmentalScience上发表了基于NiAlCo层状氢氧化物纳米片/几壁碳纳米管（NiAlCoLDH/CNT）的镍锌电池。
本文编号：3409741
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碱性电池结构示意图[24]
5用混合电解质精确平衡的KOH:LiOH比例可以大大提高MnO2-Zn电池的总循环特性，表明此材料的理论容量的稳定保留受到不同电解液比例、循环时工作电压以及物质掺杂的影响。图1-2（a）γ-MnO2在标准碱性电池中的反应机制，(b)软锰矿与MBDB在不同电解液中的比容量对比图，（c）基于MBDB的器件充放电过程的原位EDXRD研究，（d）软锰矿与MBDB在不同电解液中的放电性能图[34]（2）镍基正极材料镍的氧化物、氢氧化物具有高氧化还原电位、高理论容量、来源丰富、低毒性、低成本等优点。其常与锌负极组装成水系碱电池。自镍锌电池发明一个多世纪以来，镍锌电池得到了广泛的关注。电池的高电压特性有利于制备出高能量、安全且廉价，在各种应用领域中具有巨大潜力的能量存储设备。但是充放电过程中镍基正极材料的不可逆性以及锌负极枝晶的形成限制了镍锌电池的进一步发展，取得高容量的同时，如何提高其循环稳定性是镍锌电池研究取得突破的关键。为了解决这个问题，科研人员致力于设计具有良好形貌和纳米结构的镍基正极材料。例如中空结构，多孔结构和分层结构等，有效增强镍基正极的储能性能。目前已经设计研究了氧化镍的纳米片结构[35]，Co3O4@NiO纳米带@纳米棒阵列
6结构[36]等对于材料性能的影响。Zeng等人[37]于2017年在AdvancedMaterials上报道了基于Ni-NiO异质结构纳米片正极的超稳定的柔性准固态镍锌电池，如图1-3所示。通过简便、高效的水热和热处理工艺制备了多孔异质结构Ni-NiO纳米片，用于解决镍基正极材料充放电过程中不可逆的问题。NiO基质嵌入了Ni纳米颗粒，材料具有丰富的介孔结构，镍纳米颗粒的引入，改善了其导电率，加快了离子的传输，提高了储能性能，充放电过程中具有比纯NiO更长的放电平台。在3.7Ag-1的电流密度下，Ni-NiO电极储存的容量为5.78mAhcm-2。水系电解液中循环10000圈后容量仅衰减3.4%，在聚合物电解液中，电流密度为22.2Ag-1时，10000次循环后容量保持率超高，几乎没有衰减。最大的能量密度为6.6μWhcm-2，取得20.2mWcm-2的优异的功率密度。并且，在各种弯曲程度下测试其充放电性能，容量几乎保持不变。这种纤维状的镍锌电池将极大地丰富用于未来便携式、可穿戴电子设备应用的能量存储技术。图1-3Ni-NiO的微观结构：(a)SEM图，(b)TEM图，(c)高分辨率的透射电镜图（HRTEM），其中右上角黄色、橙色区域为HRTEM图像，(d)柔性准固态纤维型Ni-NiO//Zn电池示意图，(e)Ni-NiO//Zn电池的循环性能[37]Gong等人[19]于2014年在Energy&EnvironmentalScience上发表了基于NiAlCo层状氢氧化物纳米片/几壁碳纳米管（NiAlCoLDH/CNT）的镍锌电池。
本文编号：3409741
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