基于铜网构筑的锌金属负极及其电化学研究
水系锌离子电池具有无毒安全的本质优势，而且对环境友好，价格低廉，成为极具竞争力的新型电池体系。其中，锌金属具有平衡电位低、析氢过电位高的优势，并且在水系电解液中能够实现可逆的沉积/剥离，成为该体系中应用最广泛的负极材料。然而，锌负极在充放电过程中受以下问题的困扰：（1）由于电池内电场分布不均匀及“尖端效应”，Zn2+沉积并不不均匀，容易生长成枝晶。一方面，脱落的枝晶形成“死锌”损失活性电极物质，另一方面，严重的枝晶生长会刺破隔膜导致电池短路失效；（2）电化学过程中H+和Zn2+存在还原竞争关系，产生的H2会造成电池鼓包胀气，存在安全隐患；（3）高活性的锌在电解液中存在自腐蚀现象，会造成负极界面处局部OH-浓度增加，进而与Zn2+反应，在电极表面生成难溶的Zn4(SO4)OH6·nH2O钝化层，使电极的极化和电阻增大，并加剧锌枝晶的生长。为了克服这些问题，本论文从结构设计出发，以铜网为基底构筑了无枝晶锌金属负极，进而实现了稳定长循环的锌离子电池。具体研究内容如下： 首先，通过水热和退火的方法在铜网表面原位生长一层Cu2O纳米颗粒作为锌负极的集流体，并探究Zn在该集流体上的沉积行为。经Cu2O纳米颗粒修饰的铜网，在电解液中的浸润性明显提升，有助于在界面形成均匀的锌离子流，保证Zn2+的高效传输。此外，Cu2O在电化学沉积之初还原为与锌有高亲和性的Cu单质，提供大量Zn成核位点，有效引导Zn2+均匀沉积，实现无枝晶锌负极，在1mAcm-2的电流密度下可以实现700小时的稳定循环。并用该集流体预沉积锌作为负极装配全电池探究其应用前景。 另外，本论文通过电化学沉积的方法，利用三电极体系将金属Zn、In同时沉积在铜网上作为锌离子电池负极。通过调节电沉积电解液的浓度得到Zn、In的最佳配比，并探究In的引入对锌负极电化学行为及性能的影响，发现In的引入能够明显改善锌金属负极析氢和腐蚀问题，同时作为成核位点能够促进Zn2+均匀沉积，抑制锌枝晶的生长。综合以上优势，In的引入促进负极的长循环寿命及电化学性能，含适量In的锌金属负极在电流密度为10mAcm-2，比容量为2mAhcm-2的条件下，过电位始终维持在0.1V以下，可以稳定循环长达500小时。
水系锌离子电池;锌负极;结构设计;铜网;氧化亚铜
吉林大学
硕士
凝聚态物理
张冬
2023
中文
TM912.9
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）