基于噻吩基团的有机分子在构建水系锌离子电池高性能负极上的应用
随着传统化石能源的日益枯竭和人类对于能源需求的日益增长，开发和利用新型储能电池迫在眉睫。水系锌离子电池是一种成本优势、性能优势、安全性和环保性兼具的新型电池，是取代锂离子电池占据商业市场的有力竞争者。金属锌因其储量丰富、较低的氧化还原电位、较高的质量比容量和体积比容量，是目前锌离子电池负极的首选材料。但在应用中，锌负极往往存在锌枝晶、析氢反应、副反应和电极表面腐蚀等问题，直接影响了电池的库伦效率和循环寿命。目前已有多种针对锌负极的改善方案，其中，电极界面修饰改性又可叫做人工界面层修饰，因具备可操作性强、简便快捷的优势是应用最为广泛的方案之一。有机材料往往具备柔性和韧性，能做到包容电极的体积变化，同时其丰富的官能团提供了更多活性位点，有利于调控锌的嵌入和脱出。基于此，我们采用了含有噻吩基团的有机分子材料构建了人工界面层修饰锌负极，探究其对电池性能的影响及其内在工作机理，得到的研究结论如下： 首先用7-叔丁基-1,3,5,9-四噻吩芘（以下简称TTP）构建了TTP人工界面层，TTP@Zn对称电池具有优异的循环稳定性，在0.885mAcm-2下极化电压仅为51mV且能稳定循环接近1000小时，同时具备出色的倍率性能和大电流耐受性；Zn//TTP@Ti半电池具有较低的极化程度和稳定的库伦效率，在1.77mAcm-2下能够保持约98.4%的库伦效率。此外，经TTP修饰的电池还表现出优异的抗腐蚀能力，锌枝晶和副产物的蔓延以及析氢反应等问题都有较明显的缓解。 随后证明了TTP作为人工界面层的亲锌性，同时TTP的S原子处的电负性较高更易吸引Zn2+，S与Zn之间存在相互作用；此外，TTP人工界面层还降低了锌离子的脱溶活化能。说明Zn-S相互作用促进了锌离子沉积动力学，有利于锌的均匀沉积。TTP@Zn//V2O5全电池的长循环稳定性大大提高，能在5Ag-1的电流密度下提供高比容量且稳定循环，经过6500次循环后仍能保持99.98%的容量保持率，同时其极化程度和阻抗均降低，说明了TTP人工界面层的应用可行性。 最后为了进一步优化电池性能，我们采用由六个噻吩基团组成的α-六噻吩（简称ST）构建ST人工界面层，ST@Zn对称电池具有出色的长循环稳定性，在1mAcm-2下仅表现出67.1mV的极化电压且稳定循环超过1700小时；且电池的倍率性能同样十分优异。Zn//ST@Ti半电池极化程度较低，在400次循环内保持约98.75%的库伦效率，证明了锌脱嵌的可逆性。循环后的ST@Zn和ST@Ti均表现出平整的表面形貌，证明了锌在锌箔和钛箔表面均能够均匀沉积；XRD结果证明了循环过程中的副产物被有效抑制。经ST修饰的电极锌离子转移数有所提升，说明其有利于提升反应动力学。通过对ST人工界面层性能的实验探究，结合XPS中Zn-S相互作用信号的出现，进一步促进脱溶剂化和调控锌离子通量的作用。
水系锌离子电池;锌负极人工界面层;噻吩基团;脱溶剂化;离子通量;锌枝晶
吉林大学
硕士
凝聚态物理
王晓峰
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）