钴镍化合物作为碱性锌离子电池正极材料电化学性能研究

作     者：冯政 

作者单位：湖北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：温建

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：碱性锌离子电池 氧化还原电解质 比容量 功率密度 

摘      要：碱性锌离子电池因具备高工作电压,可观的比容量,安全环保等诸多优点一直吸引着众多的学者的关注。但是随着现代技术要求的不断更新,碱性锌离子电池能量、功率密度性能不足成为了实际运用当中的瓶颈。本文以碱性锌离子电池为基础,围绕该类型电池能量密度不足的性能短板开展研究工作,从反应机理上寻求突破。一方面,本课题组利用碱性锌电池高电压工作平台和锌-空气电池高容量的特点,以同一正极材料搭建碱性电池与锌空气电池的混合电池系统。另一方面,本工作当中选取具备氧化还原属性的材料充当电解质,伴随电池正极极化过程一并发生氧化还原反应,形成法拉第电流,以改善水系锌离子电池的容量、稳定性能。具体研究内容如下:(1)采用简单的湿化学方法制备了具有“核-壳结构的三维纳米阵列材料NiCoS@Ni(OH)。通过构建独特的微观形貌,丰富活性位点数量;设计缺陷结构、调整电荷分布,增强材料导电性等一系列手段,提升电极材料电化学活性,激发材料氧析出反应(OER)与氧还原(ORR)催化性能,改善反应动力学,降低传质阻尼,实现降低析氧过电位,增强电池比容量性能,进而提升电池整体表现力。NiCoS@Ni(OH)电极在1 M KOH电解质溶液当中,驱动电流密度20 mA cm对应所产生的过电位仅为234 mV,高强电流密度100 mA cm下过电位仅为304 mV,Tafel斜率56 mV dec,电荷传输电阻仅为0.2Ω。在储能方面,该电极材料的比电容可达到1.225 mAh cm且在3000次循环后仍有87.5%容量保持率。与金属锌电极一起组装的混合电池也表现出优异的电化学性能,如高容量、1.75 V的电压工作平台、1.68 kW kg的功率密度以及良好的循环稳定性。(2)采用CoO充当正极材料,向电解质当中添加[Fe(CN)]/[Fe(CN)]氧化还原电对,为电极贡献额外电容,提升储能空间。CoO正极材料于1 M KOH电解质溶液当中负载1 mA cm电流密度下表现出0.027 mAh cm容量,而在所制备的氧化还原型电解质溶液当中,10 mA cm电流密度下容量高达0.311 mAh cm,并且展现出良好的倍率特性。基于氧化还原型电解质的水系碱性电池系统表现出0.18 mAh cm经过1000次循环测试容量保持在0.16mAh cm水平性能无明显变化。充分说明了通过添加氧化还原电解质参与电化学反应是提升碱性水系锌离子电池性能的有效手段。