水系锌离子电池高性能钒基正极材料的构筑及其储锌机理的研究
水系锌离子电池因其具有环境友好、电解液无毒不易燃、成本较低，负极使用的金属锌片在自然界中丰度高，成本低廉，理论密度高，氧化还原电势低等优点，使得水系锌离子电池在储能领域广受关注。作为电池的关键组成部分之一的正极，决定并关系着电池的整体容量和能量密度。因此，寻求合适的正极材料对水系锌离子电池的进一步发展和应用具有十分重要的意义。在众多的适合作为储锌正极材料当中，钒基材料具有合适的Zn2+扩散通道以及较高的理论比容量等优势脱颖而出，在这些钒基材料中，钒基氧化物又表现的最稳定。但是，钒基材料普遍存在易溶于电解液、导电性低等问题，造成其作为水系锌离子电池正极材料时电化学性能不够理想。针对上述问题，本论文合成了两种钒基氧化物(VO2·xH2O和V2O3/CNT),并将它们作为水系锌离子电池的正极材料，系统的研究了它们的电化学性能以及储锌机理。主要工作如下: 1.通过简单的一步水热法成功的制备出了含有结晶水的VO2·xH2O纳米带。将VO2·xH2O纳米带作为水系锌离子的电池的正极材料，并使用2M的Zn(CF3SO3)2水溶液作为电解液。在VO2·xH2O纳米带结构中，结晶水的存在充当层间“支柱”和起到“润滑剂”的作用，有效的稳定了材料结构和促进了Zn2+的传输，因此展现出优异的循环和倍率性能。在1Ag-1的电流密度下，VO2·xH2O电极循环200圈后，其放电比容量为376mAhg-1。在大电流密度15Ag-1下，长循环8000圈，容量几乎无任何衰减。另外，在15Ag-1下，倍率容量为304mAhg-1，展现出优异的反应动力学。最后，通过原位XRD等一系列表征方法，进一步揭示了VO2·xH2O电极基于Zn2+/H+共嵌入/脱出的储锌机理。 2.通过水热法和高温煅烧成功出制备了具有大量氧空位的V2O3原位负载碳纳米管的复合电极材料(V2O3/CNT)。将V2O3/CNT作为水系锌离子电池正极材料，并使用2M的Zn(CF3SO3)2水溶液电解液，组装成电池。碳纳米管的负载不仅提高了材料的导电性，还有效稳定了材料的结构，缩短了Zn2+的扩散途径。另外，V2O3/CNT中大量的氧空位的存在，进一步暴露了材料的活性位点，有效提高了储锌效率。因此,在使用V2O3/CNT电极作为正极时，表现出优异的电化学性能(0.5Ag-1的电流密度下，最大放电比容量为243.2mAhg-1;5Ag-1下循环2000圈，放电比容量为211.6mAhg-1)。通过非原位XRD等一系列表征方法揭示了V2O3/CNT电极的储锌机理，结果表明为协同的Zn2+/H+嵌入/脱出机理。
水系锌离子电池;钒基正极材料;氧空位;储锌机理
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
黄燕
2023
中文
TM912.9
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）