锌基液流电池负极浆料的制备与性能研究
日益增长的能源需求和严重的环境污染，促进了人类一次能源的使用从化石燃料转向可再生清洁能源。无论是移动应用还是固定储能应用，电池都是满足不断增长的储能需求的最佳解决方案。锌基液流电池具有成本低、易于维护、安全无毒、使用寿命长等优点，显示出了良好的应用前景。然而，受到低离子溶解度的限制，锌基液流电池的能量密度较低;锌金属电极在长期的充放电循环过程中存在形变和死锌问题，面容量通常小于80mAh/cm2，严重制约了锌基液流电池的商业化应用。 本论文针对锌基液流电池能量密度低、负极锌沉积面容量低、电极形变和死锌等问题，开发负极浆料代替传统的锌离子电解液，并对浆料的性能进行了系统评价，主要结论如下: (1)开发出锌浆料配方，当Zn颗粒、纳米ZnO颗粒、增稠剂和4M的KOH溶液质量比为2.5∶3.1∶1∶18.5时，所配制的锌浆料均一性、稳定性、流动性更佳。发展了集流层-锌浆料层层组装制备负极的新方法，将配制的锌浆料与多孔薄层碳毡层层叠加，构筑了三维互通型电子-离子传输网络，实现了负极100mAh/cm2高面容量的突破。在10mA/cm2的电流密度下，锌铁液流电池的库仑效率大于92％，电压效率大于87％，能量效率大于77％，且稳定运行1400小时以上，性能几乎没有衰减。 (2)为了实现对浆料活性组分的多级限域包覆，通过多巴胺在纳米ZnO颗粒表面聚合包覆-程序升温煅烧两步法，成功制备了具有纳米孔径碳壳的ZnO@C核壳材料。通过SEM、TEM、XPS、XRD等表征证明了纳米ZnO颗粒被碳壳完整均匀包覆。碳壳具有0.4-0.7nm的微孔道，能够有效地抑制锌酸根离子向外扩散，并允许氢氧根离子自由通过。所开发的ZnO@C浆料具有良好的电化学可逆性，氧化峰与还原峰电位差只有0.3V;在10mA/cm2和15mA/cm2的电流密度下，锌铁液流电池稳定运行超过1100小时，SEM及EDS表征显示纳米ZnO颗粒仍然被限域分散在多孔碳壳内部，碳毡表面没有出现锌沉积的团聚，展现出了良好的循环稳定性。
锌基液流电池;负极浆料;面容量;核壳材料;能量密度
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
程元徽
2021
中文
TM912.9
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）