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基于多价态氧化锰的纤维状可充锌锰电池研究

基于多价态氧化锰的纤维状可充锌锰电池研究

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作者：李灵桐中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

近些年来,能源危机与环境问题愈发严重,可充电池作为新兴的环保型储能器件受到广泛关注。其中,由锌(Zn)负极、二氧化锰(Mn O)正极、水系电解液组成的可充锌锰电池,具有原材料资源丰富、安全性高、成本低、理论容量高等优点,被认为是最... 详细信息

近些年来,能源危机与环境问题愈发严重,可充电池作为新兴的环保型储能器件受到广泛关注。其中,由锌(Zn)负极、二氧化锰(Mn O)正极、水系电解液组成的可充锌锰电池,具有原材料资源丰富、安全性高、成本低、理论容量高等优点,被认为是最具发展前景的高性能可充电池之一。然而,可充锌锰电池的发展仍面临极大的挑战,主要是正极材料容量较低、储能机理不清晰、柔性性能有限等问题。针对这些问题,本文进行了深入研究,具体内容如下:首先,提出了限量还原氧化物调控其电化学性能的新方法。利用肼蒸气还原Mn O,制备高性能的多价态氧化锰(Mn O)正极材料,探索了水合肼用量对正极材料的形貌结构和电化学性能的影响。微观形貌研究发现,Mn O始终呈纳米花状,纳米片边缘随水合肼用量增加发生钝化至锐化转变。成分分析可得,Mn O为Mn O和MnO组成的多价态混合物,随着水合肼用量的增加,Mn O含量逐渐减少,MnO含量逐渐增加。电化学性能随之变化,水合肼用量为140μL时得到的Mn O的放电性能最佳,在0.2、1和5 C下,首次放电比容量分别为450、248.2、158.3 m Ah·g,100次循环后比容量仍可保持在210、205.8、95 m Ah·g。其次,阐明了可充锌锰电池多价态存储机制,包括以下三点:(1)Mn O具有大比表面积和多孔结构,有利于离子的渗透和传输,增加活性物质与电解液的有效接触面积,有利于电化学性能的改善;(2)Mn O中具有更多的空位缺陷和高效的离子迁移路径,有利于Zn的扩散行为;(3)Mn O具有良好的表面稳定性和较强的锌吸附性,有利于发挥电极的表面电容行为。最后,实现了高柔性的同轴纤维状可充锌锰电池。其中,Mn O为正极活性物质,不锈钢丝为正极集流体,Zn丝为负极,聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶为电解质,热缩管为封装材料。在0.2 C下,同轴纤维状可充锌锰电池提供了255.8m Ah·g的可逆容量;在1000次弯折变形后,容量保持率可高达80%。此外,将较长的同轴纤维状可充锌锰电池在手腕上缠绕三圈后可以驱动日常使用的腕表。

关键词：多价态氧化锰限量还原法储锌性能柔性纤维电池

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