水系鋅基電池正極材料的結構設計與性能優(yōu)化
發(fā)布時間：2021-11-04 17:21
鋅具有較高的比容量（820 mAh g-1）和合適的氧化還原電位（-0.763V vs.SHE）,多種基于鋅負極的水系鋅電池,諸如鋅-空氣、鋅離子電池吸引了廣泛的研究興趣。無論是鋅-空氣電池還是鋅離子電池都需要高效的正極材料或催化劑與鋅負極匹配實現(xiàn)可逆的充放電過程用于構筑高性能的鋅電池。為了提高鋅電池的能量密度、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,在正極材料的設計、性能優(yōu)化和機理研究方面開展了兩方面的研究工作,概括如下:（1）針對鋅-空氣電池中正極催化劑氧還原和析出過電位較高,傳統(tǒng)貴金屬催化劑價格昂貴且催化性能單一問題,以柔性的碳布為基底,通過化學浴沉積的方法在碳布表面原位生長氧化錳納米片。隨后的高溫熱處理中,碳與二氧化錳之間的氧化還原反應導致水鈉錳礦型的二氧化錳被部分還原成黑錳礦型的四氧化三錳。同時,納米片逐漸向納米棒結構轉變,促進形成具有豐富表面缺陷的低價態(tài)氧化錳,從而有助于提高催化性能。以合成的自支撐氧化錳作為正極組裝柔性鋅-空氣電池時,展現(xiàn)出較高的開路電壓（1.47V）、優(yōu)越的電壓效率（120次循環(huán)后為62.4%）、較長的循環(huán)壽命（1.2V工作電壓下為45h）和高比容量（728mAh g-1...
【文章來源】：山東大學山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：95 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１－１負荷均衡發(fā)電與需求平衡原理圖
?山東大學碩士學位論文???［５］。然而，據(jù)估計，制造１?ｋＷｈ的鋰離子電池產(chǎn)生了約７５ｋｇ的二氧化碳。相比??之下，利用煤炭發(fā)電產(chǎn)生１?ｋＷｈ的電力只會產(chǎn)生約１?ｋｇ的二氧化碳，這意味著??鋰離子電池要工作幾百個周期后才能產(chǎn)生環(huán)境效益［６］。至于經(jīng)濟成本，鋰資源并??不十分豐富，存在長期短缺的風險。因此，鋰離子電池在環(huán)境成本和經(jīng)濟成本方??面遠不能令人滿意。因此，研究人員從一價（Ｋ，?Ｎａ）或多價（Ｍｇ，?Ｃａ，?Ｚｎ，??ＡＩ）元素／陽離子的替代電池中尋找機會。因為多電子轉移過程能提供更高的能??量密度，采用多價電荷載體Ｚｎ２＋、Ｍｇ２＇?Ｃａ２＋和Ａｌ３＋的水系電池是非常理想的［７】。??鋅基電池具有以下優(yōu)勢：??（１）鋅廉價而且儲量豐富，其質(zhì)量能量密度為８２０ｍＡｈｇ＇體積能量密度??高達５８５５?ｍＡｈ?ｃｎｆ３，而且氧化還原電位為－０．７６?Ｖ?（ｖｓ?ＳＨＥ），適合在水系環(huán)境??中工作。??（２）中性的無機鹽水溶液（例如ＺｎＳＣＵ）可作為電解質(zhì)溶液，大大提高了??鋅離子電池的安全性和循環(huán)穩(wěn)定性。因此，電池的組裝無需無水無氧的條件，方??便了電池的組裝以及后續(xù)的回收過程。??以上優(yōu)點使得鋅離子電池的研究吸引了廣泛的關注（圖１－２，表Ｍ）。??Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ?ｃａｐａｃｉｔｙ??Ａｆｆｏｒｄａｂｉｌｉｔｙ＾＾＾＾＾＾ｆ?Ｒｅｖｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙ?ｉｎ??＼?／?ａｑｕｅｏｕｓ?ｍｅｄｉａ??Ｓａｆｅｔｙ?Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ??Ｚｎ?［ＡＷ?｜?Ｎａ?Ｌｉ??圖１－２不同金屬電池的性能對比圖。??２??
?山東大學碩士學位論文???（ａ）??Ｃ）?〇?ｆ??＇爵?鑛??〇Ｍ?｜?廣?°＊＊?ｊ??ＧＯ?ｒＧＯ－ＩＬ?ｒＧＯ－ＩＬ／?Ｍｎ３０４??（的?，Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ??＿。？?Ｅｌ??Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?ＳｅｐａｒａｔｏｒＣａｔａｉｙｓｔ?Ｐｏｒｏｕｓ?ｃ？ｉｒｂｏｎ??圖１－５?（ａ）氧化石墨烯表面功能化和隨后四氧化三錳納米粒子形成的示意圖。??（ｂ）鋅－空氣電池示意圖與實際測試電池的照片。??除了氧化石墨烯納米片，碳納米管也被用作碳基底，來改善氧化錳催化劑的??導電性。陳忠偉團隊通過簡單的將二氧化錳和氮摻雜碳納米管（ＮＣＮＴ）進行物??理混合制備了雙功能催化劑。隨后利用掃描電鏡（ＳＥＭ）和透射電鏡（ＴＥＭ）對二??氧化錳納米管和納米碳管的形貌進行了研究。圖ｌ－６ａ，?ｂ清楚地顯示了管狀結構??的ＭｎＯ：和竹節(jié)狀ＮＣＮＴ。根據(jù)ＳＥＭ圖像，Ｍｎ０２納米管的直徑約為１００?ｎｍ，??ＮＣＮＴ直徑約為?２０－５０ｎｍ。Ｍｎ０２納米管的ＸＲＤ圖譜（圖卜５ｃ）證實了ａ－Ｍｎ０２晶??型（ＪＣＰＤＳ：４４－０１４１），根據(jù)ＸＰＳ分析（圖ｌ－５ｄ），?ＮＣＮＴ的表面氮含量約為４ａｔ．％，??高的氮含量更有利于ＯＲＲ過程以及在堿性條件下的穩(wěn)定性。該工作將Ｍｎ０２和??ＮＣＮＴ復合不僅提高了其導電性，復合催化劑的總體催化活性也有了明顯提高，??展現(xiàn)出比單純Ｍｎ０２或者ＮＣＮＴ更優(yōu)的催化活性。??７??
【參考文獻】：
期刊論文
[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)
本文編號：3476162
【文章來源】：山東大學山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：95 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１－１負荷均衡發(fā)電與需求平衡原理圖
?山東大學碩士學位論文???［５］。然而，據(jù)估計，制造１?ｋＷｈ的鋰離子電池產(chǎn)生了約７５ｋｇ的二氧化碳。相比??之下，利用煤炭發(fā)電產(chǎn)生１?ｋＷｈ的電力只會產(chǎn)生約１?ｋｇ的二氧化碳，這意味著??鋰離子電池要工作幾百個周期后才能產(chǎn)生環(huán)境效益［６］。至于經(jīng)濟成本，鋰資源并??不十分豐富，存在長期短缺的風險。因此，鋰離子電池在環(huán)境成本和經(jīng)濟成本方??面遠不能令人滿意。因此，研究人員從一價（Ｋ，?Ｎａ）或多價（Ｍｇ，?Ｃａ，?Ｚｎ，??ＡＩ）元素／陽離子的替代電池中尋找機會。因為多電子轉移過程能提供更高的能??量密度，采用多價電荷載體Ｚｎ２＋、Ｍｇ２＇?Ｃａ２＋和Ａｌ３＋的水系電池是非常理想的［７】。??鋅基電池具有以下優(yōu)勢：??（１）鋅廉價而且儲量豐富，其質(zhì)量能量密度為８２０ｍＡｈｇ＇體積能量密度??高達５８５５?ｍＡｈ?ｃｎｆ３，而且氧化還原電位為－０．７６?Ｖ?（ｖｓ?ＳＨＥ），適合在水系環(huán)境??中工作。??（２）中性的無機鹽水溶液（例如ＺｎＳＣＵ）可作為電解質(zhì)溶液，大大提高了??鋅離子電池的安全性和循環(huán)穩(wěn)定性。因此，電池的組裝無需無水無氧的條件，方??便了電池的組裝以及后續(xù)的回收過程。??以上優(yōu)點使得鋅離子電池的研究吸引了廣泛的關注（圖１－２，表Ｍ）。??Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ?ｃａｐａｃｉｔｙ??Ａｆｆｏｒｄａｂｉｌｉｔｙ＾＾＾＾＾＾ｆ?Ｒｅｖｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙ?ｉｎ??＼?／?ａｑｕｅｏｕｓ?ｍｅｄｉａ??Ｓａｆｅｔｙ?Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ??Ｚｎ?［ＡＷ?｜?Ｎａ?Ｌｉ??圖１－２不同金屬電池的性能對比圖。??２??
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【參考文獻】：
期刊論文
[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)
本文編號：3476162
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