过渡金属基材料在锌-空气电池中的应用
发布时间：2021-08-27 16:34
发展和制备高效、经济、稳定的电催化剂是实现高效能源转化和储存的有效途径之一。在目前已知的储能装置中,锌-空气电池（ZABs）由于具有低成本、容量大、寿命长等优点而广受研究。然而,阴极材料的缓慢动力学反应(氧还原（ORR）和氧析出（OER）阻碍了ZABs的进一步发展。铂或铱基纳米材料是一类高效的ORR或OER催化剂,但其广泛商业应用仍然受到其高成本和低耐久性的限制。因此,开发高效、经济、双功能ORR/OER的ZABs阴极催化剂材料迫在眉睫。过渡金属基材料满足及高效的氧电催化反应要求,是研究者普遍认为的一种双功能催化剂,而对其纳米结构的合理设计可以有效改善材料的导电性和催化活性,从而进一步优化其氧电催化性能。本文通过表界面工程,通过设计过渡金属基多相结构来改善材料的电子结构和氧电催化性能,从而实现其在ZABs中的高效利用。本论文的主要研究内容和结论如下:1.制备了N掺杂石墨烯（N-C）包覆的FeNi合金催化剂。由于其特殊的核壳结构,FeNi@N-C作为氧电催化剂具有优异的双功能OER和ORR电催化活性。FeNi@N-C基的液态锌-空气电池的开路电压可达到1.48 V。并且在电流密度为20 ...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各种可充和金属空气电池的重量能量密度和体能量密度[37]
兰州大学博士学位论文过渡金属基材料在锌-空气电池中的应用3几年后，Walker采用了一个简单的气体扩散电极，氢氧化钾作为电解液，镍和炭黑作为多孔气体扩散电极组装成Walker–Wilkins电池[41]。随着研究的深入，研究者发现空气中的氧气是该类空气电池的反应物，并且对大比表面积和高化学活性的空气电极材料产生了更清晰的认知。从20世纪30年代开始，随着气体扩散电极的不断改进和发展，一种初级锌空气电池被应用于商业生产，并在70年代应用于助听器中。如今，锌空气电池的应用已经扩展到地震遥测，铁路信号，导航浮标，远程通信，电动汽车和电网等多个领域[42-44]。由于锌的不均匀沉积，特别是空气电极上的析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)的缓慢反应速率，阻碍了可充电锌空气电池的的进一步发展[17]。虽然，从1975年到2000年，有很多关于锌空气电池的研究，但是在20世纪末，锂离子电池的出现和快速的发展，削弱了研究人员的热情。最近几年，随着锂离子电池暴露出如安全性低、成本高、能量密度小等缺陷，锌空气电池再一次走进研究者的视野。诸如EOS储能、Fluidic能源、ZincNyx能源的许多公司参与相关研究，并做了很多出色的工作[45]。尽管如此，作为一种极具发展前景的能量转换和存储技术，可充电锌空气电池仍处于起步阶段。因此，开发优异电化学性能的可充锌空气电池在柔性和可穿戴电子器件中的相关研究越来越多。图1.2锌基电池的发展历程[46]
兰州大学博士学位论文过渡金属基材料在锌-空气电池中的应用41.2.2锌空气电池的工作原理图1.3锌-空气电池的示意图以及组成部分[47]如图1.3所示。锌空气电池由金属锌电极、隔膜和空气电极组成，与电解液封装在一起。金属锌阳极与空气阴极之间通过氧化还原反应产生电流[48]。金属锌电极决定电池的容量，因此它应当具有高活性和高效充电能力，并使电池保持几百次充放电的能力[49]。电解液对锌电极应当具有适宜的活性，并具有良好的导电性以及与空气电极充分接触的能力[18]。锌空气电池在充放电过程中所涉及的阴阳极反应过程如下：锌空气电池在放电过程中电极发生的电化学反应：锌阳极：2Zn+4OH--2e-→Zn(OH)4-→ZnO+2H2O(1-1)空气阴极：O2+4e-+2H2O→4OH-(1-2)总反应：2Zn+O2→2ZnO(1-3)副反应：Zn+2H2O→Zn(OH)2+H2(1-4)锌空气电池在充电过程中电极发生的电化学反应：锌阳极：ZnO+2H2O→Zn+4OH-+2e-(1-5)空气阴极：4OH-→O2+4e-+2H2O(1-6)总反应：2ZnO→2Zn+O2(1-7)1.3锌空气电池的几个重要参数的理论值计算开路电压：阴极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-E0=0.401V(1-8)阳极：Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e-E0=-1.245V(1-9)总反应：Zn+1/2O2→ZnOE0=1.646V(1-10)根据上述反应式可以写出锌空气电池的电动势：
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent Progress on Zinc?Ion Rechargeable Batteries[J]. Wangwang Xu,Ying Wang. Nano-Micro Letters. 2019(04)
[2]Hollow Nanocages of NixCo1-xSe for Efficient Zinc–Air Batteries and Overall Water Splitting[J]. Zhengxin Qian,Yinghuan Chen,Zhenghua Tang,Zhen Liu,Xiufang Wang,Yong Tian,Wei Gao. Nano-Micro Letters. 2019(02)
[3]In Situ Coupling Strategy for Anchoring Monodisperse Co9S8 Nanoparticles on S and N Dual?Doped Graphene as a Bifunctional Electrocatalyst for Rechargeable Zn–Air Battery[J]. Qi Shao,Jiaqi Liu,Qiong Wu,Qiang Li,Heng-guo Wang,Yanhui Li,Qian Duan. Nano-Micro Letters. 2019(01)
[4]Bimetallic Nickel Cobalt Sulfide as E cient Electrocatalyst for Zn–Air Battery and Water Splitting[J]. Jingyan Zhang,Xiaowan Bai,Tongtong Wang,Wen Xiao,Pinxian Xi,Jinlan Wang,Daqiang Gao,John Wang. Nano-Micro Letters. 2019(01)
本文编号：3366706
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各种可充和金属空气电池的重量能量密度和体能量密度[37]
兰州大学博士学位论文过渡金属基材料在锌-空气电池中的应用3几年后，Walker采用了一个简单的气体扩散电极，氢氧化钾作为电解液，镍和炭黑作为多孔气体扩散电极组装成Walker–Wilkins电池[41]。随着研究的深入，研究者发现空气中的氧气是该类空气电池的反应物，并且对大比表面积和高化学活性的空气电极材料产生了更清晰的认知。从20世纪30年代开始，随着气体扩散电极的不断改进和发展，一种初级锌空气电池被应用于商业生产，并在70年代应用于助听器中。如今，锌空气电池的应用已经扩展到地震遥测，铁路信号，导航浮标，远程通信，电动汽车和电网等多个领域[42-44]。由于锌的不均匀沉积，特别是空气电极上的析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)的缓慢反应速率，阻碍了可充电锌空气电池的的进一步发展[17]。虽然，从1975年到2000年，有很多关于锌空气电池的研究，但是在20世纪末，锂离子电池的出现和快速的发展，削弱了研究人员的热情。最近几年，随着锂离子电池暴露出如安全性低、成本高、能量密度小等缺陷，锌空气电池再一次走进研究者的视野。诸如EOS储能、Fluidic能源、ZincNyx能源的许多公司参与相关研究，并做了很多出色的工作[45]。尽管如此，作为一种极具发展前景的能量转换和存储技术，可充电锌空气电池仍处于起步阶段。因此，开发优异电化学性能的可充锌空气电池在柔性和可穿戴电子器件中的相关研究越来越多。图1.2锌基电池的发展历程[46]
兰州大学博士学位论文过渡金属基材料在锌-空气电池中的应用41.2.2锌空气电池的工作原理图1.3锌-空气电池的示意图以及组成部分[47]如图1.3所示。锌空气电池由金属锌电极、隔膜和空气电极组成，与电解液封装在一起。金属锌阳极与空气阴极之间通过氧化还原反应产生电流[48]。金属锌电极决定电池的容量，因此它应当具有高活性和高效充电能力，并使电池保持几百次充放电的能力[49]。电解液对锌电极应当具有适宜的活性，并具有良好的导电性以及与空气电极充分接触的能力[18]。锌空气电池在充放电过程中所涉及的阴阳极反应过程如下：锌空气电池在放电过程中电极发生的电化学反应：锌阳极：2Zn+4OH--2e-→Zn(OH)4-→ZnO+2H2O(1-1)空气阴极：O2+4e-+2H2O→4OH-(1-2)总反应：2Zn+O2→2ZnO(1-3)副反应：Zn+2H2O→Zn(OH)2+H2(1-4)锌空气电池在充电过程中电极发生的电化学反应：锌阳极：ZnO+2H2O→Zn+4OH-+2e-(1-5)空气阴极：4OH-→O2+4e-+2H2O(1-6)总反应：2ZnO→2Zn+O2(1-7)1.3锌空气电池的几个重要参数的理论值计算开路电压：阴极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-E0=0.401V(1-8)阳极：Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e-E0=-1.245V(1-9)总反应：Zn+1/2O2→ZnOE0=1.646V(1-10)根据上述反应式可以写出锌空气电池的电动势：
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent Progress on Zinc?Ion Rechargeable Batteries[J]. Wangwang Xu,Ying Wang. Nano-Micro Letters. 2019(04)
[2]Hollow Nanocages of NixCo1-xSe for Efficient Zinc–Air Batteries and Overall Water Splitting[J]. Zhengxin Qian,Yinghuan Chen,Zhenghua Tang,Zhen Liu,Xiufang Wang,Yong Tian,Wei Gao. Nano-Micro Letters. 2019(02)
[3]In Situ Coupling Strategy for Anchoring Monodisperse Co9S8 Nanoparticles on S and N Dual?Doped Graphene as a Bifunctional Electrocatalyst for Rechargeable Zn–Air Battery[J]. Qi Shao,Jiaqi Liu,Qiong Wu,Qiang Li,Heng-guo Wang,Yanhui Li,Qian Duan. Nano-Micro Letters. 2019(01)
[4]Bimetallic Nickel Cobalt Sulfide as E cient Electrocatalyst for Zn–Air Battery and Water Splitting[J]. Jingyan Zhang,Xiaowan Bai,Tongtong Wang,Wen Xiao,Pinxian Xi,Jinlan Wang,Daqiang Gao,John Wang. Nano-Micro Letters. 2019(01)
本文编号：3366706
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