水系锌离子电池钒基正极材料的结构与性能研究
为促进能源体系的多元化同时降低能源利用的成本，水系锌离子电池近些年被给予了大量的关注。然而，其直接使用锌金属作为负极的作法却是一把双刃剑，一方面降低了电池的生产成本，但另一方面又因锌与电解液的副反应增加了电池的不稳定性。在众多的改进策略中，采用供锌材料作为正极，以避免水系锌离子电池对锌金属负极的依赖，有望从根本上解决上述问题，但目前在这方面的研究却很少，对于高性能供锌正极材料的探索仍有待开展。另外，作为水系锌离子电池的主要正极材料之一，钒基化合物因比容量高、结构丰富，被投入了大量研究，但是其电化学性能却仍有待进一步提升，储能机理也有待进一步探明。为解决以上问题，我们以钒基材料为研究对象，通过各种原位/非原位技术对材料进行了深入的研究，研究成果如下： 1.首次利用溶胶凝胶的方法合成了Zn3V3O8，并对其供锌性能、储能原理进行了深入研究。研究表明，适量含碳的less-carbon Zn3V3O8样品在200mA g-1电流密度下可展现出高达285mA?h g-1的比容量，且在5A g-1下循环2000圈后容量依然保有最高时的72.6%。借助于各种原位及非原位技术，我们发现Zn3V3O8在首充时，因为Zn2+的脱出，其结构会发生不可逆相变，转变为具有层状结构的Zn0.3V2O5-x?nH2O，并由其担当后续可逆储/供Zn2+/H+的宿主材料。最后，通过直接使用自制碳纸作为负极，构筑无锌金属水系锌离子电池，我们直接论证了Zn3V3O8强大的供锌能力，这为供锌正极材料的大家庭添加了一个新的成员。 2.通过对Zn3V3O8中部分Zn进行Mn替换，我们极大改善了材料的电化学性能，使得材料在200mA g-1电流密度下展现出了高达355mA?h g-1的比容量，并在5A g-1电流密度下循环循环4500圈后，依旧拥有75.7%的优异容量保有率。通过原位XRD、非原位HRTEM等技术，我们完善了之前对于Zn3V3O8储能机理的认知，发现了首充过程分阶段相变、后续循环时Zn2+/H+插入/脱出过程与转化反应同时发生的储能方式。
水系锌离子电池;钒基化合物;合成工艺;电化学性能
华南理工大学
硕士
凝聚态物理
邝泉
2022
中文
TM912;TM242:TM205.1
2022-12-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）