氧化铁在水系电解液中的储能机理及改性研究

作     者：蓝培泳 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程爽;李章朋

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：水系储能器件 衰减机理 氧化铁 镍铁电池 

摘      要：水系储能器件作为一种安全环保、工艺简单以及成本低廉的储能装置,具有非常高的应用价值。但受限于水较窄的电位分解窗口,水系电池的放电电压通常不高,在1.2 V左右。多数正极材料的工作电位都在水析氧电位之下,可直接在水系电解液体系中使用;要提高全电池的工作电压,具有低工作电位的负极材料的构建是关键。氧化铁因具有高的析氢过电势和较低的电荷存储电位,作为水系电池负极有望实现高容量和低工作电位。但氧化铁负极在水溶液中工作是存在严重的容量衰减现象,本论文针对此问题,开展氧化铁在不同水系电解液中的储能机理研究,并由此指导其性能的优化改进,主要有以下工作:(1)通过一步水热法合成指环状纯相α-FeO,并在中性以及碱性电解液中进行三电极测试,测试其储能特性。发现其具有较高的初始容量,在碱性电解液中可达180 m Ah g,但循环过程容量衰减迅速到35 m Ah g;在中性电解液中初始容量仅有110 m Ah g,循环100圈时容量持续下降到接近0,在此过程伴有沉淀生成。使用原位拉曼和其他表征技术检测了α-FeO在不同电解液中的衰减机理。结果显示,FeO在中性电解液中会在循环过程被还原成Fe进入电解液,并与电解液中的OH以及溶解氧结合,最终生成Fe OOH沉积在底部,造成电极材料不可逆的质量损失;而在碱性条件下,FeO在前期放电过程中被不可逆地还原成FeO,指环状结构坍塌团聚成较大的颗粒。因而,如何有效抑制中性条件下的不可逆质量损失和碱性条件的结构坍塌和团聚是发展稳定氧化铁负极的关键。(2)针对碱性电解液中活性材料不断团聚的现象,采用搅拌法将FeO与GO复合,研究其在碱性电解液中的电化学性能。发现GO在循环过程被还原成r GO,GO的存在可显著提高复合电极的比电容和循环稳定性。FG10(10%质量比含量的GO)在1 A g的电流密度下比电容可达223 m Ah g,但随着循环仍有明显的衰减;随着GO含量的增加,电极材料的比容量略有下降,但其循环稳定性逐渐提高,FG200在3 A g循环400圈后容量保持率可达95%。与GO复合的样品的电化学性能明显优于纯FeO,说明GO的混合可有效抑制FeO的团聚,从而提高电极的稳定性。(3)用水热法制备了微米球状Ni(OH)作为正极。使用优化后的FG100作为负极,在碱性水溶液中组装Ni-Fe全电池。组装的全电池工作电压范围1.7 V,放电平台在1.1 V,在1 A g的电流密度下全电池的容量可达66 m Ah g(计算正负极活性材料的质量),并且具有较好的循环稳定性。