检索结果-南通市图书馆

作者：彭芝维青岛大学

学位级别：硕士

随着移动电子设备和电动汽车的普及和发展,人们对于高效且稳定的能源转化和存储装置的需求不断增长。在各类储能器件中,水系碱性储能器件因其电解液的不易燃性和高的离子电导率等优势而备受关注。其中,镍锌(Ni-Zn)电池具有高电压、高功... 详细信息

随着移动电子设备和电动汽车的普及和发展,人们对于高效且稳定的能源转化和存储装置的需求不断增长。在各类储能器件中,水系碱性储能器件因其电解液的不易燃性和高的离子电导率等优势而备受关注。其中,镍锌(Ni-Zn)电池具有高电压、高功率、良好的安全性和低成本等优点被认为是一种很有前途的商业应用候选电池。但是,镍基正极存在的电子导电率低和可逆氧化还原性差等问题,不能最大化地提升电池的能量密度。此外,混合超级电容器(HSC)可以作为一个集电池型电极的高能量密度与电容型电极的超高功率密度于一体的储能器件,来更好的实现储能应用的高需求。但是,其能量密度仍然受限。为了解决上述两种储能器件遇到的问题,研究高性能电池型电极材料至关重要。基于此,本文在镍钴金属化合物的基础上对其进行调控和设计,构建一种新型的电极材料进一步提升其在Ni-Zn电池和HSC的电化学储能。具体内容可分为以下三部分:(1)基于前驱体转换的方法设计合成了一系列不同镍钴比例与石墨烯复合的硫化物,研究讨论了镍钴组分对NiCo-S/RGO电化学性能的影响,当镍钴比为2:1时,NiCo-S/RGO展示出最佳性能。此外,由于RGO有着高比表面积对电解质的扩散距离短以及反应动力学快,将NiCo-S与RGO复合增强了表面活性位点,且RGO的存在进一步提高NiCo-S的循环稳定性,实现NiCo-S/RGO在Ni-Zn电池中优异的电化学储能。(2)通过水热、退火及磷化处理制备出片状NiCoP-NiCoO/NiCo?PO异质材料,该多组分材料由高晶态NiCoP纳米颗粒分散于非晶态NiCo?PO基体构成,不同化学性质和晶相的组分之间的界面效应显著提高电化学储能性能。同时,研究不同磷化程度对各组分及电化学性能的影响,当Na HPO?HO的质量为NiCoO的10倍时,NiCoP-NiCoO/NiCo?PO电极具有最优电化学性能。基于此,组装HSC和Ni-Zn电池来评测其在实际应用中的潜力,二者均展示出优异的能量密度和良好的循环稳定性。(3)通过简便的喷雾热解和磷化热处理工艺合成了具有中空结构的NiCoP-x纳米球,实现了优秀的电化学性能。这种具有特殊结构的微球,提供大的比表面积,增强电极和电解液间的界面效应,且为电化学过程中的体积膨胀提供缓冲,显著提升电化学稳定性。此外,磷化物固有的低电负性大大提升材料整体电子电导率,优化速率性能。同时研究磷化程度对NiCoP-x的组分和储能性能的影响。其中,NiCoP-5在比电容、倍率特性以及循环特性方面显示出良好电化学特性,也展现出在HSC和Ni-Zn电池应用中的巨大潜力。

关键词：镍钴化合物复合材料水系储能器件混合超级电容器镍锌电池

高浓甲酸钾水系电解质的构建及适用储钾负极的制备和改性

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高浓甲酸钾水系电解质的构建及适用储钾负极的制备和改性

作者：潘蕴滢华南理工大学

学位级别：硕士

水系储能具有成本低、安全性高、绿色环保、充放电速率快等优势,在规模化储能和各类场景应用中具有较大的发展潜力。然而,一方面水系电解质(包括液态和准固态)低的电压窗口使得器件能量密度较低;另一方面,水溶剂高的反应活性和溶解活性... 详细信息

水系储能具有成本低、安全性高、绿色环保、充放电速率快等优势,在规模化储能和各类场景应用中具有较大的发展潜力。然而,一方面水系电解质(包括液态和准固态)低的电压窗口使得器件能量密度较低;另一方面,水溶剂高的反应活性和溶解活性,使得电极材料和相应单体器件的稳定性较差。因此,电极材料以及电解液改性是构建高能、稳定水系储能器件的关键。本论文以提高水系储能器件的性能为主要目标,构建高浓水系电解质和制备合适的电极材料,并通过改性优化性能,以得到具有高循环稳定性和宽工作电位窗口的电极材料。主要开展了以下两个方面的研究工作:(1)利用高浓甲酸钾(HCOOK)作为水基电解质,亚甲基蓝改性活性炭(AC/MB,Activated Carbon/Methylene Blue)为电极,构建了一种新型的超级电容器件体系。在该体系中,AC/MB单电极的电化学稳定窗口可达到-1.6～0 V;同时在2 A g时容量可达到608 C g,在20 A g的大电流充放电时仍可达187 C g,表明其快速的充放电能力以及优异的倍率性能。在循环稳定性方面,亚甲基蓝改性活性炭(AC/MB)电极明显优于纯活性炭(AC)电极,AC/MB电极在10 A g的大电流下充放电循环10000次后,仍然保持了74%的初始容量。而在使用AC/MB电极组装的全对称超级电容器工作电压可达2 V,2 A g下容量达到102 C g(考虑两电极活性材料的质量和),且在10 A g的大电流下器件容量依然保持在54 C g,表现出优异的倍率性能。器件在10 A g下充放电10000圈循环后,容量保持率为79%,表现出优异的循环稳定性。另外,该器件同时具有高功率密度和高能量密度特性(2000 W kg时可达28 Wh kg)。说明此新型的超级电容器体系具有稳定、快速、大量储能的前景。(2)由于电容型电极材料的储能容量有限,因此我们合成了具有高理论容量的电池型Fe Se材料,并对其在高浓水基HCOOK电解质中的储能特性进行探索。为了提高体系的稳定性,抑制电极材料的溶解,我们在水热过程中添加葡萄糖作为碳源对Fe Se进行碳包覆,制备出Fe Se/C复合材料,同时,通过在电解液里添加聚乙烯基吡咯烷酮(PVP,Polyvinylpyrrolidone)的方法制备凝胶电解质。Fe Se/C复合材料电极在40 m(mole/kg水)HCOOK电解液中的性能要明显优于Fe Se电极,其中Fe Se/C-0.2m GLu(glucose)电极循环100圈后剩余容量最高,为37 m Ah g(相当于133 C g),保持率为11.2%。使用高浓甲酸钾凝胶电解质,以及碳包覆Fe Se(Fe Se/C),Fe Se电极的循环稳定性可进一步提高。Fe Se/C电极在该凝胶电解质中循环100圈后容量仍高达110 m Ah g,保持率为50.2%。通过进一步地优化充放电模式,以恒定200 m Ah g进行充电,Fe Se/C电极在凝胶中经过10圈的活化后放电比容量可提高至190 m Ah g,且在凝胶电解质中循环300圈后容量仍剩余179 m Ah g,与活化后的初始容量相比,容量保持率达到了94%,表现出十分优异的循环稳定性。本工作为水系钾离子储能器件提供了一种新型的负极材料,并对其在水中的稳定性提升方案进行了探索和优化,对硒化物在水系电化学储能研究中提供参考。

关键词：水系储能器件高浓甲酸钾电解液亚甲基蓝改性活性炭(AC/MB)电极凝胶电解质碳包覆硒化铁(FeSe2/C)

Mn-MOF基前驱体制备水系储能材料Na0.55Mn2O4·1.5H2O/C及其电化学性能研究

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Mn-MOF基前驱体制备水系储能材料Na0.55Mn2O4·1.5H2O/C及其电化...

作者：王晓彤吉林大学

学位级别：硕士

近二十年里,金属有机骨架(MOFs)在多个应用领域都得到了迅速发展,大比表面积、活性位点多、孔隙结构可调等特性使其成为储能领域的重点研究对象。MOFs由金属中心和有机配体两种次级结构单元构筑而成,这种独特的结构模式使其可作为牺牲... 详细信息

近二十年里,金属有机骨架(MOFs)在多个应用领域都得到了迅速发展,大比表面积、活性位点多、孔隙结构可调等特性使其成为储能领域的重点研究对象。MOFs由金属中心和有机配体两种次级结构单元构筑而成,这种独特的结构模式使其可作为牺牲模板制备各种衍生材料,如多孔碳、金属化合物以及金属氧化物/碳等复合物。这些衍生物在保留MOFs原有结构优势的基础上,表现出了更好的导电性和稳定性。本文中我们以Mn-BDC为前驱体制备了NaMnO·1.5HO/C(NMOH/C)复合材料。通过不同的表征测试对材料的组成成分、表面形貌、比表面积及孔结构等特性进行了分析,并研究了NMOH/C复合材料在超级电容器和水系锌离子电池两种水系储能器件中的电化学性能。具体研究内容如下:我们采用溶剂热法合成了Mn-BDC,将其作为前驱体在氩气气氛下进行高温煅烧合成了Mn O/C复合材料,并通过水热反应在其层间插入了Na和结晶水,成功制备了NMOH/C复合材料。另外,为了证明MOFs作为前驱体的优势,我们以纯相Mn O为前驱体在相同的水热条件下制备了NMOH材料。通过对比物理表征结果可知,NMOH/C复合材料相比NMOH材料具有更大的比表面积(290.97 mg)和更丰富的孔隙结构,有利于为电化学反应提供更充足的活性位点。同时,拉曼测试结果表明NMOH/C具有较高的石墨化度,说明与NMOH复合的碳骨架提高了整体材料的导电性。为了进一步探究材料成分、结构等对电化学性能的影响,我们首先在1 M NaSO电解液中通过三电极体系测试了NMOH/C复合材料和NMOH材料的超级电容器性能,结果表明,NMOH/C在1 A g下的比电容为91 F g,当电流密度为16 A g时,其比电容为55 F g,容量保持率可达60%。NMOH在1 A g下的比电容为65 F g,当测试电流为16 A g时,其比电容为28 F g,容量保持率仅为43%。同时,NMOH/C在1 A g下循环5000次后,其比容量保持在119 F g,无明显的容量衰减。NMOH/C复合材料的高比表面积、多孔结构以及NMOH与碳骨架的复合结构,使其在1 M NaSO电解液中表现出优异的倍率性能和循环稳定性。我们还研究了NMOH/C复合材料在水系锌离子电池体系中的电化学性能。以NMOH/C为正极,锌箔为负极,1 M Zn SO和0.2 M Mn SO为电解液组装了水系锌离子扣式电池。在不同的电流密度下进行了恒电流充放电测试,NMOH/C在2 A g下的可逆容量可达到99 m Ah g,表明NMOH/C具有良好的倍率性能。同时,测试了NMOH/C在500 m A g和1000 m A g下的长循环性能,结果表明,NMOH/C在500 m A g下循环300次后的容量保持在225 m Ah g,容量保持率为87%;当电流密度为1000 m A g时,700次循环后的容量仍有116 m Ah g。因此,NMOH/C复合材料作为水系锌离子电池正极材料具有显著的循环稳定性。另外,我们对循环后的正负极极片进行了物理表征,结果表明,NMOH/C正极在重复的充放电循环过程中未生成不可逆的副产物且形貌结构稳定,进一步说明了NMOH/C在电化学反应过程中十分稳定,是一种很有潜力的水系锌离子电池正极材料。

关键词：金属有机骨架锰基金属氧化物复合预嵌入水系储能器件

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阴离子修饰氧化镍及其水系储能器件性能研究

阴离子修饰氧化镍及其水系储能器件性能研究

作者：黄浩南京理工大学

学位级别：硕士

水系储能器件因具有超高的安全性而备受关注,其中,水系碱性镍铁电池因成本低且理论比容量较高,而逐渐回到人们的视野。然而在碱性电解液中,镍正极的充电态NiOOH不稳定,导致比较严重的自放电;铁负极在充放电循环过程中,极易溶解,导致循... 详细信息

水系储能器件因具有超高的安全性而备受关注,其中,水系碱性镍铁电池因成本低且理论比容量较高,而逐渐回到人们的视野。然而在碱性电解液中,镍正极的充电态NiOOH不稳定,导致比较严重的自放电;铁负极在充放电循环过程中,极易溶解,导致循环稳定性差、自放电严重等问题。因此,若能对镍铁电池自放电进行有效抑制,其将有更大的发展空间。本论文使用不同阴离子对正极NiO进行表面修饰,并在电解液中引入氧化还原添加剂KFe(CN)协同储能。首先对NiO进行磷化改性,在材料表面引入HPO、PO等阴离子,其在KOH、KHFC电解液中比容量分别高达325.8 m C cm、633.1 m C cm。进一步使用离子交换的改性方法得到Fe(CN)修饰的NiO(HNO),比容量又分别提升至450m C cm、765 m C cm,不同电解液中比容量差值的增加证明电极、电解液之间协同作用的增强。且由于Fe(CN)抑制了充电态NiOOH的转换,使得其自放电性能极大提升,HNO在KHFC电解液中静置100 h之后,自放电库伦效率仍保持77.76%,据我们所了解,本论文得到的自放电性能是目前报道过的NiO、KFe(CN)体系下最佳的性能。我们对FeO进行表面碳包覆,使其比容量、倍率、循环稳定性等性能均有一定程度的提升,将其与Fe(CN)修饰的HNO组装成镍铁电池HNO//FeO-C,在0.99 k W kg的功率密度下,保持了高达91.7 Wh kg的能量密度,尤其此镍铁电池的自放电率受到了很大抑制,在静置12 h后,仍能保持初始容量的38.9%,相对于NiO//FeO-C提升一倍有余。本论文所取得的创新性成果,尤其是对NiO自放电的机制研究,对后续镍铁电池性能的改善具有借鉴意义。

关键词：水系储能器件 NiO 阴离子氧化还原电解液自放电 Fe3O4 包碳镍铁电池

用于水系储能器件的石墨烯基柔性集流体和钴酸锂基活性材料的研制

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用于水系储能器件的石墨烯基柔性集流体和钴酸锂基活性材料的研制

作者：母志鹏华南理工大学

学位级别：硕士

目前商用锂离子电池使用的有机电解液,极易在短路、电池损坏、漏液等情况下热失控,导致燃烧和爆炸,存在安全隐患,而使用水系电解液的水系锂离子电池是解决此问题的有效方案之一。但相对于有机环境,水系系统中的氧化还原环境更为复杂,因... 详细信息

目前商用锂离子电池使用的有机电解液,极易在短路、电池损坏、漏液等情况下热失控,导致燃烧和爆炸,存在安全隐患,而使用水系电解液的水系锂离子电池是解决此问题的有效方案之一。但相对于有机环境,水系系统中的氧化还原环境更为复杂,因而对集流体和活性材料的要求更加严格,传统集流体无法满足其使用需求。因此,迫切需要一种新型集流体来应对水系系统中苛刻的工作环境。此外,水系中稳定工作的正、负极材料也有待探索。作为有机电池中广泛应用的正极材料,钴酸锂的规模化制备已经成熟,在水系中也具有类似有机系的锂离子嵌入和脱出反应,但循环稳定性较差。本论文针对水系系统中适用的集流体的规模化制备和正极活性材料钴酸锂稳定性的问题,进行实验设计与数据分析,得到以下结果:(1)采用优化的浓硫酸-过氧化氢二组分体系,成功插入石墨层间,一步静置膨化剥离出大量的石墨烯纳米片。借助基底的辅助支撑,创新性地将所得的石墨烯纳米片压制成膜,经过450℃煅烧得到柔性石墨烯薄膜。薄膜具有2.56×10 S cm的超高电导率和仅4.20 mg cm的面积比质量,并通过水接触角测试表明其亲水性明显优于商用碳布和碳纸。在6 M KOH溶液中,柔性石墨烯薄膜作为集流体负载活性炭组成工作电极,电极的比容量和倍率性能优秀。柔性石墨烯薄膜相比商用碳布与碳纸具备性能与成本上的优势,有望成为目前大规模制备水系集流体的一种可行策略。(2)以醋酸锂、醋酸钴为原料,柠檬酸为络合剂,采用溶胶-凝胶法在不同煅烧温度下制备出钴酸锂活性材料,电化学测试结果证明由700℃煅烧得到的层状R-3m相钴酸锂在5 M硝酸锂溶液中具有最佳的电化学性能。针对纯钴酸锂循环稳定性不佳的问题,对其进行四价锰的掺杂改性,制备出具有优良结晶性和结构稳定性的Mn掺杂钴酸锂。由于Mn的成功掺杂,使层间距增大,有利于提升锂离子快速传输能力,同时作为电荷中心抑制充放电过程中锂离子和锂空位的重排和有序-无序的相变,使其结构稳定性提高。电化学测试表明掺杂量为5%的样品初始比容量达到117.5 m A h g,经过1 C倍率下100圈的循环后仍有63.0%的容量保持率,相比纯钴酸锂的40.5%的保持率有显著的改善。

关键词：水系储能器件集流体石墨烯钴酸锂锰掺杂

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氧化铁在水系电解液中的储能机理及改性研究

氧化铁在水系电解液中的储能机理及改性研究

作者：蓝培泳华南理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：水系储能器件衰减机理氧化铁镍铁电池