水系锌基电池正极材料的结构设计与性能优化
发布时间：2021-11-04 17:21
锌具有较高的比容量（820 mAh g-1）和合适的氧化还原电位（-0.763V vs.SHE）,多种基于锌负极的水系锌电池,诸如锌-空气、锌离子电池吸引了广泛的研究兴趣。无论是锌-空气电池还是锌离子电池都需要高效的正极材料或催化剂与锌负极匹配实现可逆的充放电过程用于构筑高性能的锌电池。为了提高锌电池的能量密度、倍率性能和循环稳定性,在正极材料的设计、性能优化和机理研究方面开展了两方面的研究工作,概括如下:（1）针对锌-空气电池中正极催化剂氧还原和析出过电位较高,传统贵金属催化剂价格昂贵且催化性能单一问题,以柔性的碳布为基底,通过化学浴沉积的方法在碳布表面原位生长氧化锰纳米片。随后的高温热处理中,碳与二氧化锰之间的氧化还原反应导致水钠锰矿型的二氧化锰被部分还原成黑锰矿型的四氧化三锰。同时,纳米片逐渐向纳米棒结构转变,促进形成具有丰富表面缺陷的低价态氧化锰,从而有助于提高催化性能。以合成的自支撑氧化锰作为正极组装柔性锌-空气电池时,展现出较高的开路电压（1.47V）、优越的电压效率（120次循环后为62.4%）、较长的循环寿命（1.2V工作电压下为45h）和高比容量（728mAh g-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】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１负荷均衡发电与需求平衡原理图
?山东大学硕士学位论文???［５］。然而，据估计，制造１?ｋＷｈ的锂离子电池产生了约７５ｋｇ的二氧化碳。相比??之下，利用煤炭发电产生１?ｋＷｈ的电力只会产生约１?ｋｇ的二氧化碳，这意味着??锂离子电池要工作几百个周期后才能产生环境效益［６］。至于经济成本，锂资源并??不十分丰富，存在长期短缺的风险。因此，锂离子电池在环境成本和经济成本方??面远不能令人满意。因此，研究人员从一价（Ｋ，?Ｎａ）或多价（Ｍｇ，?Ｃａ，?Ｚｎ，??ＡＩ）元素／阳离子的替代电池中寻找机会。因为多电子转移过程能提供更高的能??量密度，采用多价电荷载体Ｚｎ２＋、Ｍｇ２＇?Ｃａ２＋和Ａｌ３＋的水系电池是非常理想的［７】。??锌基电池具有以下优势：??（１）锌廉价而且储量丰富，其质量能量密度为８２０ｍＡｈｇ＇体积能量密度??高达５８５５?ｍＡｈ?ｃｎｆ３，而且氧化还原电位为－０．７６?Ｖ?（ｖｓ?ＳＨＥ），适合在水系环境??中工作。??（２）中性的无机盐水溶液（例如ＺｎＳＣＵ）可作为电解质溶液，大大提高了??锌离子电池的安全性和循环稳定性。因此，电池的组装无需无水无氧的条件，方??便了电池的组装以及后续的回收过程。??以上优点使得锌离子电池的研究吸引了广泛的关注（图１－２，表Ｍ）。??Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ?ｃａｐａｃｉｔｙ??Ａｆｆｏｒｄａｂｉｌｉｔｙ＾＾＾＾＾＾ｆ?Ｒｅｖｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙ?ｉｎ??＼?／?ａｑｕｅｏｕｓ?ｍｅｄｉａ??Ｓａｆｅｔｙ?Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ??Ｚｎ?［ＡＷ?｜?Ｎａ?Ｌｉ??图１－２不同金属电池的性能对比图。??２??
?山东大学硕士学位论文???（ａ）??Ｃ）?〇?ｆ??＇爵?鑛??〇Ｍ?｜?广?°＊＊?ｊ??ＧＯ?ｒＧＯ－ＩＬ?ｒＧＯ－ＩＬ／?Ｍｎ３０４??（的?，Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ??＿。？?Ｅｌ??Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?ＳｅｐａｒａｔｏｒＣａｔａｉｙｓｔ?Ｐｏｒｏｕｓ?ｃ？ｉｒｂｏｎ??图１－５?（ａ）氧化石墨烯表面功能化和随后四氧化三锰纳米粒子形成的示意图。??（ｂ）锌－空气电池示意图与实际测试电池的照片。??除了氧化石墨烯纳米片，碳纳米管也被用作碳基底，来改善氧化锰催化剂的??导电性。陈忠伟团队通过简单的将二氧化锰和氮掺杂碳纳米管（ＮＣＮＴ）进行物??理混合制备了双功能催化剂。随后利用扫描电镜（ＳＥＭ）和透射电镜（ＴＥＭ）对二??氧化锰纳米管和纳米碳管的形貌进行了研究。图ｌ－６ａ，?ｂ清楚地显示了管状结构??的ＭｎＯ：和竹节状ＮＣＮＴ。根据ＳＥＭ图像，Ｍｎ０２纳米管的直径约为１００?ｎｍ，??ＮＣＮＴ直径约为?２０－５０ｎｍ。Ｍｎ０２纳米管的ＸＲＤ图谱（图卜５ｃ）证实了ａ－Ｍｎ０２晶??型（ＪＣＰＤＳ：４４－０１４１），根据ＸＰＳ分析（图ｌ－５ｄ），?ＮＣＮＴ的表面氮含量约为４ａｔ．％，??高的氮含量更有利于ＯＲＲ过程以及在碱性条件下的稳定性。该工作将Ｍｎ０２和??ＮＣＮＴ复合不仅提高了其导电性，复合催化剂的总体催化活性也有了明显提高，??展现出比单纯Ｍｎ０２或者ＮＣＮＴ更优的催化活性。??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Three-dimensional nitrogen and phosphorous Co-doped graphene aerogel electrocatalysts for efficient oxygen reduction reaction[J]. Jizhen Ma,Zhonghua Xiang,Jintao Zhang. Science China（Chemistry）. 2018(05)
本文编号：3476162
【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】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１负荷均衡发电与需求平衡原理图
?山东大学硕士学位论文???［５］。然而，据估计，制造１?ｋＷｈ的锂离子电池产生了约７５ｋｇ的二氧化碳。相比??之下，利用煤炭发电产生１?ｋＷｈ的电力只会产生约１?ｋｇ的二氧化碳，这意味着??锂离子电池要工作几百个周期后才能产生环境效益［６］。至于经济成本，锂资源并??不十分丰富，存在长期短缺的风险。因此，锂离子电池在环境成本和经济成本方??面远不能令人满意。因此，研究人员从一价（Ｋ，?Ｎａ）或多价（Ｍｇ，?Ｃａ，?Ｚｎ，??ＡＩ）元素／阳离子的替代电池中寻找机会。因为多电子转移过程能提供更高的能??量密度，采用多价电荷载体Ｚｎ２＋、Ｍｇ２＇?Ｃａ２＋和Ａｌ３＋的水系电池是非常理想的［７】。??锌基电池具有以下优势：??（１）锌廉价而且储量丰富，其质量能量密度为８２０ｍＡｈｇ＇体积能量密度??高达５８５５?ｍＡｈ?ｃｎｆ３，而且氧化还原电位为－０．７６?Ｖ?（ｖｓ?ＳＨＥ），适合在水系环境??中工作。??（２）中性的无机盐水溶液（例如ＺｎＳＣＵ）可作为电解质溶液，大大提高了??锌离子电池的安全性和循环稳定性。因此，电池的组装无需无水无氧的条件，方??便了电池的组装以及后续的回收过程。??以上优点使得锌离子电池的研究吸引了广泛的关注（图１－２，表Ｍ）。??Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ?ｃａｐａｃｉｔｙ??Ａｆｆｏｒｄａｂｉｌｉｔｙ＾＾＾＾＾＾ｆ?Ｒｅｖｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙ?ｉｎ??＼?／?ａｑｕｅｏｕｓ?ｍｅｄｉａ??Ｓａｆｅｔｙ?Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ??Ｚｎ?［ＡＷ?｜?Ｎａ?Ｌｉ??图１－２不同金属电池的性能对比图。??２??
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【参考文献】：
期刊论文
[1]Three-dimensional nitrogen and phosphorous Co-doped graphene aerogel electrocatalysts for efficient oxygen reduction reaction[J]. Jizhen Ma,Zhonghua Xiang,Jintao Zhang. Science China（Chemistry）. 2018(05)
本文编号：3476162
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