【摘 要】
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人们对储能设备的安全性、稳定性和电化学性能的要求不断提高,近年来对柔性电池的研究在不断深入。准固态锌基电池不仅具有优异的安全性,同时展现出可逆容量高和氧化还原电位低等优点。目前对于锌基电池正极材料的研究以过渡金属氧化物或氢氧化物为主,这些电极在长时间的充放电中容易发生不可逆的氧化还原反应,其表面结构容易发生变形、坍塌等不稳定现象。本文提出在泡沫镍上生长双金属磷化钴镍活性物质,并作为正极材料与准固态
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人们对储能设备的安全性、稳定性和电化学性能的要求不断提高,近年来对柔性电池的研究在不断深入。准固态锌基电池不仅具有优异的安全性,同时展现出可逆容量高和氧化还原电位低等优点。目前对于锌基电池正极材料的研究以过渡金属氧化物或氢氧化物为主,这些电极在长时间的充放电中容易发生不可逆的氧化还原反应,其表面结构容易发生变形、坍塌等不稳定现象。本文提出在泡沫镍上生长双金属磷化钴镍活性物质,并作为正极材料与准固态水凝胶封装成准固态柔性锌基电池。通过一步水热法在泡沫镍(NF)上生长磷化钴(NF-CoP)、磷化镍(NF-NiP)和磷化钴镍(NF-NiCoP),本文通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、高分辨率投射电子显微镜(TEM)、比表面积测试(BET)等一系列表征研究了各磷化物电极。经过对电极进行系统的表征测试和电化学测试,证明准固态磷化镍钴电池不仅具有磷化物优异的导电性,而且由于双金属离子的协同作用具有出色的电化学性能。在长时间充放电测试中,该电池表现出优异的稳定性与容量保持率。另外,本文发现通过调控电极的制备方法可以改变磷化钴镍电极的表面形貌。为进一步改进磷化钴镍的性能,本文对不同微观形貌的磷化钴镍电极也进行了研究。通过一步水热法在泡沫镍(NF)上生长磷化钴(NF-CoP)、磷化镍(NF-NiP)和磷化钴镍(NF-NiCoP),本文通过一系列表征研究各磷化物电极表面的差异。研究发现,双金属磷化物电极表面具有更大的比表面积、更多的低价离子以及更难被氧化等特性。通过循环伏安测试(CV)、恒电流充放电测试(GCD)等电化学测试,发现双金属磷化物的电荷转移电阻比单金属磷化物更小,NF-NiCoP电极展现出了更好的可逆性与稳定性。为研究磷化物电极的应用性,本文将上述磷化物电极封装为准固态锌基电池。通过分析准固态锌基电池的一系列电化学测试结果,发现磷化钴镍锌基电池(NF-NiCoP//Zn)在大电流密度下具有出色的电化学性能,并且在各种角度下弯曲甚至被针穿透,仍能正常点亮灯泡,证实准固态NF-NiCoP//Zn电池性能与安全性俱佳。为进一步研究双金属磷化物电极,本文通过调控水热溶液获取表面形貌完全不同的磷化钴镍电极,经过系统的表征证实了在NF上成功生长了不同表面微观形貌的磷化钴镍,其形貌分别为微米棒结构(NF-NiCoP1)、由纳米片聚集成的微米花结构(NF-NiCoP2)以及微米球结构(NF-NiCoP3)。经过一系列电化学测试发现,NF-NiCoP2电极在电化学可逆性、电化学容量和长时间循环稳定性等方面较为出色,其独特的微米花结构可以提供更大的反应面积和更多的活性位点。另外,NF-NiCoP2电极的阻抗较小,且反应中离子的快速扩散提供主要的电化学反应,认为该电极表面结构为离子传输提供了更短的通道。最后,使用水凝胶电解质将表面形貌不同的磷化钴镍电极封装为准固态锌离子电池,经过电化学测试发现NF-NiCoP2//Zn电池具有较高的放电电压,在电流密度范围为15 m A·cm-2~50m A·cm-2的GCD测试中,放电电压介于1.616 V和1.82 V之间。在2000次充放电后容量保持率约为93%,在大电流密度下(80 m A·cm-2),该电池面积比容量为0.61 m Ah·cm-2。经过计算,NF-NiCoP2//Zn的最大能量密度为6.95 m Wh·cm-2,最大功率密度为29.8 m W·cm-2。与近年来已发表的高性能锌基电池相比准固态磷化钴镍锌基电池的电化学性能较为出色,表明该电池有很大潜力成为未来绿色储能设备的一员。
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