改性坡缕石胶体电解质用于水系锌离子电池的研究

作     者：裴彪 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高海燕;董正洪;赵永男

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：水系锌离子电池 改性坡缕石 胶体电解质 锌枝晶 适用性 

摘      要：水系锌离子电池（ZIBs）具有低成本、安全性好、易组装等优点,是一种很有前途的储能器件。但在传统水系电解液体系中,正极结构的不稳定性和锌负极枝晶生长、腐蚀、析氢副反应等问题,导致其循环寿命不佳,严重阻碍了水系ZIBs的实际应用。鉴于此,本文提出了一种新型的改性胶体电解质用于水系ZIBs来改善上述问题。具体研究内容如下: （1）将坡缕石原料（ATP）提纯、热处理并引入十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）制备得到改性的坡缕石（OTATP）。结果表明,OTATP具有较大的比表面积(128 m2g-1),良好的离子吸附性。较大层间距（1.19 nm）和孔容(0.87 cm-3g-1)可以更好的满足离子的传输和储存;良好的疏水性（接触角72°）有利于水系条件下的保护层构建。 （2）将OTATP与电解液混合制备得到新型胶体电解质（ZnOTATP）,探究了OTATP与电解液不同质量比对全电池电化学性能的影响。结果表明OTATP与电解液的质量比为3:10（ZnOTATP-3）时,具有最优的离子电导率(5.98m S cm-1)和电化学性能。对称电池在1.0 m A cm-2电流密度下循环350圈后仍保持良好的稳定性和较低的滞后电压（30 m V）。 将ZnOTATP-3用作Zn/V2O5全电池电解质,在1.0 A g-1的电流密度下循环300圈后,放电比容量和容量保持率分别为258.4 m Ah g-1和80.2%,远高于裸锌电池(112.2 m Ah g-1和37.9%)。且循环后的负极表面仍保持良好的完整性,没有出现锌枝晶。ZnOTATP-3还具有较好的适用性,将其用作Zn/Mn O2全电池电解质,结果也表明在0.3 A g-1的电流密度下循环100圈后,放电比容量和容量保持率分别为182.4 m Ah g-1和82.5%,远高于裸锌电池(45.2 m Ah g-1和26.6%)。优异的电化学性能得益于:ZnOTATP-3通过诱导Zn2+均匀成核和去溶剂化作用,较好的抑制了锌负极枝晶生长和析氢反应的产生,削弱与主体材料的静电相互作用,减小Zn2+脱嵌对正极材料结构的影响。且其较大的层间距不仅促进了Zn2+的传输,具有高的Zn2+扩散系数DZn2+和低的电荷转移电阻Rct。