水滑石和硒化物电极材料的设计及储铝性能研究
发布时间：2021-09-07 20:50
日渐增多的能源消耗,尤其是化石能源的大量使用,造成了全球环境和气候的恶化,所以当下亟需加快研发基于电化学能源储存体系的清洁能源。目前,由于成本和安全问题,传统锂离子电池已经不能满足眼下日益增长的市场需求,开发价格低廉、能量密度高、安全性能好的新型二次电池体系迫在眉睫。近年来,铝电池成为研究热点,原因主要在于:首先,铝是地壳中含量最高的金属元素（82000ppm）,其含量远高于锂（18ppm）,所以铝电池可持续性好且成本较低。其次,相较于锂的高活性,铝在大气中可以稳定存在,为铝电池提供了安全保障。再次,得益于铝的三电子氧化还原反应,铝金属的理论体积比容量高达8034mA h cm-3,大约是锂（2080 mAh cm-3）的四倍。但是,铝离子电荷密度较高,在电极材料中嵌入/脱出时会受到强烈的静电相互作用,离子扩散受到阻碍,并且该过程会严重破坏电极结构,所以适用于铝电池的正极材料有限。本文基于静电自组装技术、溶剂热法合成了镍铁双金属层状氢氧化物/还原氧化石墨烯（NiFe-LDH/rGO）、纳米多孔硒化锰微球、锌锰双金属硒化物,三者用作铝电池正极材料均表现出良好的电化学性能,具体内容如下:1...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１可充电铝电池发展历程剛??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｇｒｏｗｔｈ?ｈｉｓｔｏｒｙ?ｏｆ?ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ｂａｔｔｅｒｙ１２０１??
?山东大学硕士学位论文???应和阳极腐蚀，无法实现铝的可逆电溶解／沉积，而室温离子液体电解质蒸汽压??低、电化学窗口宽、电沉积可逆，奠定了二次铝离子电池的发展基础［１９］，铝电池??的发展历史如图１．１所示。??ｌＰ〇〇ｓ?ｓ〇＾ｔｔ〇ｎ?？?＿?￥ｅＳ２?ｉｉＳＢＭＩｌＩｌ??＾ｑｕｅ〇ｕ：＞?ｉ?霸????－…??ｉｌｌ?＇－ｆ?Ｉ??＾?１８５７?＾??％??〇?＼ｏ〇－辦％?、??图１．１可充电铝电池发展历程剛??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｇｒｏｗｔｈ?ｈｉｓｔｏｒｙ?ｏｆ?ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ｂａｔｔｅｒｙ１２０１??１．２．２铝电池特点??Ｃａｊ：ｉ〇ｎ?Ｓｐｅｃｉｆｉｃ?Ｃａｐａｃｉｔｙ?（Ａｈ?ｋｇ１；?Ａｈ?Ｌ＊１）??Ｒａｄｉｕｓ?２０００?４０００?６０００?８０００??７６?＋?１?ｉ?ｓ＿?Ｌｉ，■＋ｅ〇Ｌｉ?Ｇｒ＾ｔｎｅＣ＾??／ｅ?ＬＩ?ｍ?Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ?ＣａｐａｃＨｙ?－?－３．０??—一?１８?Ａｂｕｎｄａｎｃｅ?５２??１〇２拳．匪雙咕－—?．，７?｜??ｍ?馨?Ｋ?鑑＾＋ｅｅＫ?－２．９?Ｔ）??７２?？＋?Ｍｇ?■■＾■■ＥＳａｉ?Ｍｇ２＊＋２ｅ＜－Ｍｇ?｜??１〇〇?Ｃａ２，＋２ｅ－Ｍ．Ｃａ?＜??５４?ｗ?Ａ，?＾?Ａｌ３、３ｅ?ｅ?Ａｌ??Ａ１?１７??２００００?４００００?６００００?８００００??Ａｂｕｎｄａｎｃｅ（ｐｐｍ）??图１．２二次电池对比示意图［２（）］??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｂａｔｔｅｒｉ
?山东大学硕士学位论文???如图１．２所示，金属锂在电化学过程中只能转移一个电子，而金属铝可以在??循环过程中交换三个电子，故金属招的体积比容量高达８０４６ｍＡｈｃｒｒＴ３，约为金??属锂（２０６２?ｍＡｈ?ｃｒｒＴ３）的４倍；金属铝能够在空气中稳定存在，说明安全性能??较好；铝是地壳中含量最高的金属元素，价格低廉［２｜，２＼同时，铝电系统存在亟??需克服的难题。铝离子的离子半径为０．０５３５?ｎｍ并带有三个正电荷，而锂离子的??离子半径为０．０７６?ｎｍ且只带有一个正电荷，所以铝离子表面电荷密度远高于锂??离子，说明铝离子与电解质中的阴离子之间会产生更强的库仑相互作用，从而造??成电池动力学缓慢、电极结构破坏［１９，２（）］。??１．２．?３铝电池正极材料及其设计思路??图１．３铝电池正极反应机理示意图［ｌ９】??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍｅ?ｏｆ?ｒｅａｃｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ?ｏｆ?ｃａｔｈｏｄｅｓ?ｉｎ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ｂａｔｔｅｒｉｅｓ１１９１??正极材料直接影响铝电池的能量密度，目前潜在的铝电正极材料普遍无法满??足高容量和高放电电压，进而限制了铝电池的大规模使用，因此，正极材料是目??前可充电铝电池的主要研究方向［２３，２４］。如图１．３所示，根据嵌层反应客体离子的??不同，铝电池正极材料分为两类，一类是以Ａｉｃｉｒ为嵌层离子，代表性的活性电??极材料主要为碳质材料１２５＿２８］；另一类是以Ａｌ３＋为客体离子，典型电极材料主要是??过渡金属化合物［２９＿３３］。??碳质材料结构多样而稳定、层间距大、电导率高，在铝电池领域应用广泛，??电化学过程如下：??３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Emerging rechargeable aqueous aluminum ion battery: Status, challenges,and outlooks[J]. Du Yuan,Jin Zhao,William Manalastas Jr.,Sonal Kumar,Madhavi Srinivasan. Nano Materials Science. 2020(03)
本文编号：3390226
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１可充电铝电池发展历程剛??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｇｒｏｗｔｈ?ｈｉｓｔｏｒｙ?ｏｆ?ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ｂａｔｔｅｒｙ１２０１??
?山东大学硕士学位论文???应和阳极腐蚀，无法实现铝的可逆电溶解／沉积，而室温离子液体电解质蒸汽压??低、电化学窗口宽、电沉积可逆，奠定了二次铝离子电池的发展基础［１９］，铝电池??的发展历史如图１．１所示。??ｌＰ〇〇ｓ?ｓ〇＾ｔｔ〇ｎ?？?＿?￥ｅＳ２?ｉｉＳＢＭＩｌＩｌ??＾ｑｕｅ〇ｕ：＞?ｉ?霸????－…??ｉｌｌ?＇－ｆ?Ｉ??＾?１８５７?＾??％??〇?＼ｏ〇－辦％?、??图１．１可充电铝电池发展历程剛??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｇｒｏｗｔｈ?ｈｉｓｔｏｒｙ?ｏｆ?ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ｂａｔｔｅｒｙ１２０１??１．２．２铝电池特点??Ｃａｊ：ｉ〇ｎ?Ｓｐｅｃｉｆｉｃ?Ｃａｐａｃｉｔｙ?（Ａｈ?ｋｇ１；?Ａｈ?Ｌ＊１）??Ｒａｄｉｕｓ?２０００?４０００?６０００?８０００??７６?＋?１?ｉ?ｓ＿?Ｌｉ，■＋ｅ〇Ｌｉ?Ｇｒ＾ｔｎｅＣ＾??／ｅ?ＬＩ?ｍ?Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ?ＣａｐａｃＨｙ?－?－３．０??—一?１８?Ａｂｕｎｄａｎｃｅ?５２??１〇２拳．匪雙咕－—?．，７?｜??ｍ?馨?Ｋ?鑑＾＋ｅｅＫ?－２．９?Ｔ）??７２?？＋?Ｍｇ?■■＾■■ＥＳａｉ?Ｍｇ２＊＋２ｅ＜－Ｍｇ?｜??１〇〇?Ｃａ２，＋２ｅ－Ｍ．Ｃａ?＜??５４?ｗ?Ａ，?＾?Ａｌ３、３ｅ?ｅ?Ａｌ??Ａ１?１７??２００００?４００００?６００００?８００００??Ａｂｕｎｄａｎｃｅ（ｐｐｍ）??图１．２二次电池对比示意图［２（）］??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｂａｔｔｅｒｉ
?山东大学硕士学位论文???如图１．２所示，金属锂在电化学过程中只能转移一个电子，而金属铝可以在??循环过程中交换三个电子，故金属招的体积比容量高达８０４６ｍＡｈｃｒｒＴ３，约为金??属锂（２０６２?ｍＡｈ?ｃｒｒＴ３）的４倍；金属铝能够在空气中稳定存在，说明安全性能??较好；铝是地壳中含量最高的金属元素，价格低廉［２｜，２＼同时，铝电系统存在亟??需克服的难题。铝离子的离子半径为０．０５３５?ｎｍ并带有三个正电荷，而锂离子的??离子半径为０．０７６?ｎｍ且只带有一个正电荷，所以铝离子表面电荷密度远高于锂??离子，说明铝离子与电解质中的阴离子之间会产生更强的库仑相互作用，从而造??成电池动力学缓慢、电极结构破坏［１９，２（）］。??１．２．?３铝电池正极材料及其设计思路??图１．３铝电池正极反应机理示意图［ｌ９】??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍｅ?ｏｆ?ｒｅａｃｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ?ｏｆ?ｃａｔｈｏｄｅｓ?ｉｎ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ｂａｔｔｅｒｉｅｓ１１９１??正极材料直接影响铝电池的能量密度，目前潜在的铝电正极材料普遍无法满??足高容量和高放电电压，进而限制了铝电池的大规模使用，因此，正极材料是目??前可充电铝电池的主要研究方向［２３，２４］。如图１．３所示，根据嵌层反应客体离子的??不同，铝电池正极材料分为两类，一类是以Ａｉｃｉｒ为嵌层离子，代表性的活性电??极材料主要为碳质材料１２５＿２８］；另一类是以Ａｌ３＋为客体离子，典型电极材料主要是??过渡金属化合物［２９＿３３］。??碳质材料结构多样而稳定、层间距大、电导率高，在铝电池领域应用广泛，??电化学过程如下：??３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Emerging rechargeable aqueous aluminum ion battery: Status, challenges,and outlooks[J]. Du Yuan,Jin Zhao,William Manalastas Jr.,Sonal Kumar,Madhavi Srinivasan. Nano Materials Science. 2020(03)
本文编号：3390226
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