锰基材料作为水系锌离子电池的正极的掺杂改性及储能机理研究

作     者：张璐璐 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李文坡

授予年度：2022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：水系锌离子电池 电沉积 异金属离子掺杂 纳米锰基材料 

摘      要：不断增长的电能存储需求对于储能器件的发展提出了新的要求,水系锌离子电池(ZIBs)因为其理论容量大,价格便宜,组装方便,安全性高等特点成为人们研究储能设备的热点方向。然而,开发选择合适的锌离子正极材料仍是一个巨大的挑战。锰基氧化物材料作为锌离子电池正极的研究开始得较早,被认为是储能的理想材料。锰基材料不可避免地存在导电性差等问题,仍然需要深入的理论研究和技术攻关。本论文通过电沉积方法制备出具有均一纳米结构的锰基氧化物材料,在此基础上,研究异金属离子掺杂对材料在电化学性能提升方面的影响,采用多种表征方法分析异金属掺杂对材料性能的影响机制,为揭示材料结构与性能的构效关系提供参考。本论文的主要工作可总结如下:(1)ZnMn3O7·3H2O材料的制备和Ca2+的掺杂探究。采用恒电位沉积法制备纯相ZnMn3O7·3H2O以及Ca2+掺杂的ZnMn3O7.3H2O,研究了 Ca2+掺杂浓度对ZnMn3O7·3H2O电化学性能的影响。研究结果表明:适量的Ca2+掺杂有利于提升材料的导电性,增大晶体的晶格间距,蓬松的表面结构更有利于活性物质与电解液充分接触和更好的储存容纳锌离子。因此Ca2+掺杂的ZnMn3O7·3H2O相比于ZnMn3O7.3H2O展示出更优异的电化学性能,在200 mA·g-1的电流密度下,比容量为284.7mAh·g-1,较未掺杂样品提高了 29%,在500mA·g-1电流密度下循环200次可实现88.0%的容量保持率。②ε-MnO2材料的制备和Cu2+的掺杂探究。采用循环伏安法将材料电沉积到碳布上,得到了纯相的均一纳米MnO2和Cu2+掺杂的ε-MnO2,在电流密度为200 mA·g-1时,Cu2+掺杂的ε-MnO2比容量达到235 mAh·g-1,相比于MnO2增加了 47.8%,采用GITT测试得知,因为Cu的掺杂导致导电性的提高,掺杂后的样品具有更大的扩散系数,这有利于充放电过程中离子的迁移,故而具有更好的电化学表现。③K+的掺杂对于ε-MnO2材料的影响探究。采用一步电沉积方法成功将K+掺杂进材ε-MnO2料中,经过测试和表征,掺K+材料的比容量提高53%,且没有改变纯相样品的均一纳米形貌,从而证实了采用简单的一步电沉积法掺杂可以提高材料的导电性能,提高电池充放电时离子迁移能力,提高材料的电化学性能。