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钴镍化合物作为碱性锌离子电池正极材料电化学性能研究

钴镍化合物作为碱性锌离子电池正极材料电化学性能研究

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作者：冯政湖北师范大学

学位级别：硕士

碱性锌离子电池因具备高工作电压,可观的比容量,安全环保等诸多优点一直吸引着众多的学者的关注。但是随着现代技术要求的不断更新,碱性锌离子电池能量、功率密度性能不足成为了实际运用当中的瓶颈。本文以碱性锌离子电池为基础,围绕该... 详细信息

碱性锌离子电池因具备高工作电压,可观的比容量,安全环保等诸多优点一直吸引着众多的学者的关注。但是随着现代技术要求的不断更新,碱性锌离子电池能量、功率密度性能不足成为了实际运用当中的瓶颈。本文以碱性锌离子电池为基础,围绕该类型电池能量密度不足的性能短板开展研究工作,从反应机理上寻求突破。一方面,本课题组利用碱性锌电池高电压工作平台和锌-空气电池高容量的特点,以同一正极材料搭建碱性电池与锌空气电池的混合电池系统。另一方面,本工作当中选取具备氧化还原属性的材料充当电解质,伴随电池正极极化过程一并发生氧化还原反应,形成法拉第电流,以改善水系锌离子电池的容量、稳定性能。具体研究内容如下:(1)采用简单的湿化学方法制备了具有“核-壳”结构的三维纳米阵列材料NiCoS@Ni(OH)。通过构建独特的微观形貌,丰富活性位点数量;设计缺陷结构、调整电荷分布,增强材料导电性等一系列手段,提升电极材料电化学活性,激发材料氧析出反应(OER)与氧还原(ORR)催化性能,改善反应动力学,降低传质阻尼,实现降低析氧过电位,增强电池比容量性能,进而提升电池整体表现力。NiCoS@Ni(OH)电极在1 M KOH电解质溶液当中,驱动电流密度20 mA cm对应所产生的过电位仅为234 mV,高强电流密度100 mA cm下过电位仅为304 mV,Tafel斜率56 mV dec,电荷传输电阻仅为0.2Ω。在储能方面,该电极材料的比电容可达到1.225 mAh cm且在3000次循环后仍有87.5%容量保持率。与金属锌电极一起组装的混合电池也表现出优异的电化学性能,如高容量、1.75 V的电压工作平台、1.68 kW kg的功率密度以及良好的循环稳定性。(2)采用CoO充当正极材料,向电解质当中添加[Fe(CN)]/[Fe(CN)]氧化还原电对,为电极贡献额外电容,提升储能空间。CoO正极材料于1 M KOH电解质溶液当中负载1 mA cm电流密度下表现出0.027 mAh cm容量,而在所制备的氧化还原型电解质溶液当中,10 mA cm电流密度下容量高达0.311 mAh cm,并且展现出良好的倍率特性。基于氧化还原型电解质的水系碱性电池系统表现出0.18 mAh cm经过1000次循环测试容量保持在0.16mAh cm水平性能无明显变化。充分说明了通过添加氧化还原电解质参与电化学反应是提升碱性水系锌离子电池性能的有效手段。

关键词：碱性锌离子电池氧化还原电解质比容量功率密度

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可穿戴光充自供电系统的设计与开发

可穿戴光充自供电系统的设计与开发

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作者：田政南苏州大学

学位级别：硕士

可穿戴光充自供电系统是一门结合多方向多领域的前沿科学研究体系。它结合了能源转化技术、能源储存技术、可穿戴柔性电子学和生物智能传感等新兴技术,在人机互动、VR眼镜、智能显示、生命体征监测等方向具有十分广泛的应用前景。但是... 详细信息

可穿戴光充自供电系统是一门结合多方向多领域的前沿科学研究体系。它结合了能源转化技术、能源储存技术、可穿戴柔性电子学和生物智能传感等新兴技术,在人机互动、VR眼镜、智能显示、生命体征监测等方向具有十分广泛的应用前景。但是目前的发展瓶颈主要是整体能量转化效率低、能量转化系统和能量存储系统之间兼容性差以及可穿戴场景下耐用性有限等问题。基于这些问题,本文从两个方面来合理设计可穿戴的光充自供电系统。（1）高光电转化效率的太阳能电池系统选择以及高储能效率的储能系统构建,通过两个高效系统的相互协同作用达到更高的整体能量转换效率;（2）利用多种柔性电子器件的制备技术（打印技术、柔性封装技术和激光切割技术）,赋予储能器件与太阳能电池良好的兼容性,实现可穿戴光充自供电系统面向轻质化、便携化和微型化的方向发展。本文的主要研究内容如下:（1）利用钛酸锂作为负极,商业活性炭作为正极,组装了锂离子混合电容器。在此基础上,进一步采用软包电池技术,制备了柔性的锂离子混合电容器,实现了最高60 Whkg-1的能量密度。把该柔性锂离子混合电容器作为储能系统与柔性的钙钛矿太阳能电池集成,实现了一体化可穿戴光充自供电系统的构筑,达到了最高8.41%的整体能量转换效率,并且实现了对压力传感器的供电,用于检测人体生命体征。（2）利用氮化钒作为负极,二氧化锰作为正极,硫酸镁作为电解液,组装了准固态的镁离子基非对称超级电容器,体积能量密度达到13.1 mWh cm-3。进一步,丝网印刷技术被采纳,制备了柔性非对称超级电容器。最后,我们将上述制备的微型镁离子非对称超级电容器与柔性的硅基太阳能电池集成,成功构筑了可穿戴的光充自供电单元,实现了 11.95%的高整体能量转化效率,同时也具有优异的光充循环稳定性（100圈循环后容量保持大于95%）。（3）用镍钴双层氢氧化物作为正极,锌片作为负极,组装了碱性的锌离子电池,实现了突出的倍率性能。在1 A g-1的电流密度下达到278 mAh g-1的质量比容量,当电流增大到20 A g-1时,容量维持在274 mAh g-1,容量保持率高达98.56%。此外,我们采用激光切割技术,实现了柔性微型碱性锌离子电池的制备,实现了极好的柔性与较高的面积能量密度（136 μWh cm-2）。最后,我们与砷化镓太阳能电池集成,设计了可穿戴的一体化光充自供电器件,最高的能量转化效率达到23.11%。

关键词：可穿戴光充自供电超级电容器混合电容器碱性锌离子电池

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