Water-in-salt及其衍生電解液在儲能器件中的應用
發(fā)布時間：2021-12-18 10:23
隨著便攜式電子產品和電動汽車的快速發(fā)展,對高性能儲能設備的需求越來越迫切�，F有的儲能系統(tǒng)往往存在一些不足,比如超級電容器能量密度低、鋅離子電池可逆性循環(huán)差、液流電池成本高等等。研究者們想要通過設計合理的電解液來改善以上各類儲能器件的缺陷。其中,高濃鹽作為電解液表現出本質安全、較寬的電壓窗口,因此受到了人們越來越多的關注。本論文中,針對不同器件在儲能機制和選擇電解液方面的問題,我們設計了不同種類的高濃度水系電解液,并將其應用于高性能超級電容器、鋅離子混合電容器以及鋅溴電池中。具體研究內容如下:（1）設計了一種低成本water-in-salt硝酸鈉電解液,用拉曼光譜分析和分子動力學模擬研究了不同濃度溶液中離子的溶劑化結構。電化學測試表明:構造的對稱超級電容器可以在0-2.1 V的寬工作電壓內正常工作,在1 A g-1處顯示出32.68 F g-1的高比電容。此外,將其與已報道的水系高濃度電解液進行比較表現出優(yōu)異的倍率性能和出色的循環(huán)穩(wěn)定性。證實該電解液具有良好的電化學穩(wěn)定性、低粘度、高電導率和低成本,是一種可用于高性能和超穩(wěn)定的超級電容器的理想w...
【文章來源】：蘭州理工大學甘肅省
【文章頁數】：68 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
電化學儲能裝置廣泛的應用領域[6]
電極材料中的遷移速率很慢，故導致功率密度又很低（<350Wkg-1）；而且它會在電兩電極之間反復脫出和嵌入，這樣就使得電池循環(huán)壽命也很差（<1000圈）[9]。相比較而言，超級電容器依靠電解液中的離子直接在電極表面進行快速的離子吸脫附形成雙電層電容或發(fā)生表面氧化還原反應而存儲電荷，因此具有功率密度高、循環(huán)壽命長的特點[10]。于是，在不犧牲其功率密度和長循環(huán)穩(wěn)定性的情況下又能實現電池的能量存儲能力，研究者們就將金屬電池和超級電容器的儲能機理有效地結合起來，提出了一種新型儲能器件---金屬離子混合電容器。圖1.2不同類型電力存儲系統(tǒng)的功率密度和能量密度[11]綜上所述，電化學儲能設備（例如電池，燃料電池/液流電池和電化學電容器）因其可擴展性和多功能性而成為未來的有效，安全和可靠的電力存儲技術。它們的功率和能量密度特性如圖1.2所示。電容器具有很高的功率密度，很低的能量密度和亞秒級的響應時間，更適合于電能質量管理。電池和液流電池/燃料電池具有大規(guī)模電能存儲所需的能量密度。無論是哪一種器件，如果從它們的主要構成部件出發(fā)，電解液作為正負兩電極之間傳導離子的主要來源，對決定整個器件的穩(wěn)定電壓窗口以及主要的電化學性能起著至關重要的作用[12]。根據研究者們所使用的電解液不同，大致可將其分為水系和非水系兩大類別。相比于非水系
工程碩士學位論文5圖1.3電解質中氧化還原電對的法拉第電荷存儲過程和常見的氧化還原電對發(fā)生反應的電位那么基于以上三個方向，如何通過降低電解液中水的活性就成為電化學基礎研究和實際應用中的一項科學挑戰(zhàn)。后兩個策略這也是本人碩士階段研究所涉及的重點課題。1.3高濃度電解液及其衍生電解液的概述上文提到的傳統(tǒng)有機電解液、離子液體以及凝膠電解質等這些電解液的缺點或多或少地阻礙了下一代電池朝著更高的能量密度方向發(fā)展，同時還要滿足更嚴格的安全標準，以用于混合動力汽車、智能電網、國防軍事等各大領域[33,34]。因此，除了傳統(tǒng)的鋰離子電解液，全世界電化學領域都在致力于探索出新型電解液來實現高性能儲能器件的要求。其中，高濃度水系電解液作為一種安全、高壓的新興電解液受到人們越來越多的關注。增加電解液中鹽的濃度會增強陽離子和陰離子/溶劑之間的相互作用力，同時降低自由態(tài)溶劑分子的含量。當超過一個閾值（通常是>3-5M），游離溶劑分子會基本消失，形成一種具有特殊三維（3D）溶液結構的新型電解質，稱其為高濃度電解質[35-37]。這種濃縮電解質具有與傳統(tǒng)的稀電解質截然不同的物理化學和電化學性質。1.3.1Water-in-salt電解液的研究進展2015年，Suo等人首次報道了21m（m為mol/kg）雙（三氟甲磺�；啺蜂嚕↙iTFSI）水溶液，其中LiTFSI無論是在質量還是體積上都大于H2O[38]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于三維多孔活性炭構筑安全、高性能以及長循環(huán)壽命的鋅離子混合電容器[J]. 趙攀,楊兵軍,陳江濤,郎俊偉,張?zhí)焓|,閻興斌. 物理化學學報. 2020(02)
[2]活性炭基軟包裝超級電容器用有機電解液[J]. 黃博,孫現眾,張熊,張大成,馬衍偉. 物理化學學報. 2013(09)
本文編號：3542198
【文章來源】：蘭州理工大學甘肅省
【文章頁數】：68 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
電化學儲能裝置廣泛的應用領域[6]
電極材料中的遷移速率很慢，故導致功率密度又很低（<350Wkg-1）；而且它會在電兩電極之間反復脫出和嵌入，這樣就使得電池循環(huán)壽命也很差（<1000圈）[9]。相比較而言，超級電容器依靠電解液中的離子直接在電極表面進行快速的離子吸脫附形成雙電層電容或發(fā)生表面氧化還原反應而存儲電荷，因此具有功率密度高、循環(huán)壽命長的特點[10]。于是，在不犧牲其功率密度和長循環(huán)穩(wěn)定性的情況下又能實現電池的能量存儲能力，研究者們就將金屬電池和超級電容器的儲能機理有效地結合起來，提出了一種新型儲能器件---金屬離子混合電容器。圖1.2不同類型電力存儲系統(tǒng)的功率密度和能量密度[11]綜上所述，電化學儲能設備（例如電池，燃料電池/液流電池和電化學電容器）因其可擴展性和多功能性而成為未來的有效，安全和可靠的電力存儲技術。它們的功率和能量密度特性如圖1.2所示。電容器具有很高的功率密度，很低的能量密度和亞秒級的響應時間，更適合于電能質量管理。電池和液流電池/燃料電池具有大規(guī)模電能存儲所需的能量密度。無論是哪一種器件，如果從它們的主要構成部件出發(fā)，電解液作為正負兩電極之間傳導離子的主要來源，對決定整個器件的穩(wěn)定電壓窗口以及主要的電化學性能起著至關重要的作用[12]。根據研究者們所使用的電解液不同，大致可將其分為水系和非水系兩大類別。相比于非水系
工程碩士學位論文5圖1.3電解質中氧化還原電對的法拉第電荷存儲過程和常見的氧化還原電對發(fā)生反應的電位那么基于以上三個方向，如何通過降低電解液中水的活性就成為電化學基礎研究和實際應用中的一項科學挑戰(zhàn)。后兩個策略這也是本人碩士階段研究所涉及的重點課題。1.3高濃度電解液及其衍生電解液的概述上文提到的傳統(tǒng)有機電解液、離子液體以及凝膠電解質等這些電解液的缺點或多或少地阻礙了下一代電池朝著更高的能量密度方向發(fā)展，同時還要滿足更嚴格的安全標準，以用于混合動力汽車、智能電網、國防軍事等各大領域[33,34]。因此，除了傳統(tǒng)的鋰離子電解液，全世界電化學領域都在致力于探索出新型電解液來實現高性能儲能器件的要求。其中，高濃度水系電解液作為一種安全、高壓的新興電解液受到人們越來越多的關注。增加電解液中鹽的濃度會增強陽離子和陰離子/溶劑之間的相互作用力，同時降低自由態(tài)溶劑分子的含量。當超過一個閾值（通常是>3-5M），游離溶劑分子會基本消失，形成一種具有特殊三維（3D）溶液結構的新型電解質，稱其為高濃度電解質[35-37]。這種濃縮電解質具有與傳統(tǒng)的稀電解質截然不同的物理化學和電化學性質。1.3.1Water-in-salt電解液的研究進展2015年，Suo等人首次報道了21m（m為mol/kg）雙（三氟甲磺�；啺蜂嚕↙iTFSI）水溶液，其中LiTFSI無論是在質量還是體積上都大于H2O[38]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于三維多孔活性炭構筑安全、高性能以及長循環(huán)壽命的鋅離子混合電容器[J]. 趙攀,楊兵軍,陳江濤,郎俊偉,張?zhí)焓|,閻興斌. 物理化學學報. 2020(02)
[2]活性炭基軟包裝超級電容器用有機電解液[J]. 黃博,孫現眾,張熊,張大成,馬衍偉. 物理化學學報. 2013(09)
本文編號：3542198
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