高性能水系Ag-Bi电池的电极制备及其性能研究

作     者：李小惠 

作者单位：华中师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄新堂

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：超薄Ag纳米壳 纳米核壳结构 高比容量电极 Bi@C纳米盒 水系Ag-Bi电池 

摘      要：随着全球化石能源的逐渐枯竭和环境污染问题的日益严峻,人们对以太阳能为代表的新一代绿色能源的大规模开发和利用尤为关切。这些能源目前主要是通过电能转换的形式为人们所用,而由于其间歇性的问题,高容量、长寿命、安全、廉价的电能储存设备的研发迫在眉睫。同时,电动汽车和便携式电子设备的蓬勃发展也对储能设备的综合性能提出了更高的要求。二次水系电池作为电化学储能电池设备的一个重要分支,其最大的特点在于采用了水系电解液,因其相对与有机电解液体系具有更高的导电率、更低的制作成本以及更好的安全性能高等优势。但同时,水系电解液的使用也将其工作电压限制在了水的分解电压以内,大大低于有机体系电池电压,从而导致了器件能量密度的大幅下降。而解决这一问题的有效方法之一,就是提高电极材料的比电容量。因此,本论文采用了具有高比容量的金属Ag作为正极活性材料,并通过巧妙的结构设计将其与高电导三维Cu纳米线阵列复合,形成无粘结的具有核壳结构的Ag@Cu纳米线阵列电极(Ag@Cu NWAs),其中活性材料金属Ag在电极表面呈超博的纳米壳层状。该正极不仅充分发挥了 Ag高比容量的优势,还利用金属Cu导电骨架弥补了 Ag先天的倍率性和循环性能不足的缺点。此外,为了与Ag@Cu NWAs正极相匹配,我们选择了具有较高理论容量且电位较负的Bi作为负极活性材料。利用ZIF-67模板进行结构纳米化,制备了具有多孔纳米结构的纳米盒状Bi@C NC复合电极材料。具体研究内容如下:(1)采用溶液刻蚀法在泡沫铜基底上生长了三维Cu(OH)2纳米线阵列(Cu(OH)2 NWAs)作为前驱体,通过银镜反应在其上沉积金属Ag,并通过H2还原退火制得了一种以泡沫铜为支持具有核壳结构的三维Ag@Cu纳米线阵列(Ag@Cu NWAs)正极材料。该复合结构以原位生长的多孔金属Cu纳米线(Cu NWs)为核,确保了电极的稳定性及良好的导电性,而作为主要活性物质的表面Ag壳层,其约7 nm的超薄厚度有利于电解液的渗透和离子的扩散,从而提高材料利用率。经电化学测试,该电极表现出1.79mAh cm-2(458 mAh g-1)的超高比容量,并在循环5000次后仍保持初始容量的83.6%。同时还通过准原位分析法探究了Ag@Cu NWAs在电化学过程中的电化学行为和储能机理,验证了该正极材料在电化学过程中主要是Ag、Ag+及Ag2+三者之间的相互转化,并证明了它的电化学行为是由扩散主导的动力学过程。(2)以ZIF-67为前驱体,通过离子交换法将配合离子Co替换为Bi离子,再经过高温碳化还原过程,制得了具有多孔结构的Bi@C纳米盒(Bi@C NC)并进行了结构表征。结果表明Bi@CNC中原有的ZIF-67有机框架经高温碳化后转变为了多孔的纳米碳骨架,而引入的Bi离子则被还原为金属Bi纳米颗粒,均匀分散在碳骨架中。该纳米结构不仅提高了金属Bi的利用效率,而且还极大地改善了整体的导电性和稳定性。Bi@CNC电极作为水系电池负极时展现了 1.67 mAh cm-2的高比容量以及5000次的循环稳定性。此外,还组装了以Ag@Cu NWAs为正极,Bi@CNC为负极的水系碱性Ag-Bi电池器件。经测试,该器件表现出高的能量密度并兼具高的功率密度以及良好的循环性能。