水系锌基电池正极材料的结构设计与性能优化

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锌具有较高的比容量(820 mAh g-1)和合适的氧化还原电位(-0.763V vs.SHE),多种基于锌负极的水系锌电池,诸如锌-空气、锌离子电池吸引了广泛的研究兴趣。无论是锌-空气电池还是锌离子电池都需要高效的正极材料或催化剂与锌负极匹配实现可逆的充放电过程用于构筑高性能的锌电池。为了提高锌电池的能量密度、倍率性能和循环稳定性,在正极材料的设计、性能优化和机理研究方面开展了两方面的研究工作,概括如下:(1)针对锌-空气电池中正极催化剂氧还原和析出过电位较高,传统贵金属催化剂价格昂贵且催化性能单一问题,以柔性的碳布为基底,通过化学浴沉积的方法在碳布表面原位生长氧化锰纳米片。随后的高温热处理中,碳与二氧化锰之间的氧化还原反应导致水钠锰矿型的二氧化锰被部分还原成黑锰矿型的四氧化三锰。同时,纳米片逐渐向纳米棒结构转变,促进形成具有丰富表面缺陷的低价态氧化锰,从而有助于提高催化性能。以合成的自支撑氧化锰作为正极组装柔性锌-空气电池时,展现出较高的开路电压(1.47V)、优越的电压效率(120次循环后为62.4%)、较长的循环寿命(1.2V工作电压下为45h)和高比容量(728mAh g-1)。以上性能均优于以Pt/C和Ru02催化剂构筑的锌-空气电池。此外,该电池还表现出良好的机械韧性,在弯折测试中没有明显的性能衰减。(2)针对层状氧化钒容量低,动力学过程缓慢的问题,利用聚苯胺分子原位插层方法来拓宽层状五氧化二钒的晶面间距,提高其水系锌离子电池的电化学性能。以聚苯胺插层的五氧化二钒(PANI-V205)与金属锌负极构筑的水系锌离子电池的比容量可达到372 mAh g-1,并具有优越的循环稳定性。更重要的是,原位XRD测试表明,插层聚苯胺有效拓宽了五氧化二钒的晶面间距,从而在不发生相变的前提下容纳更多的锌离子。同时,柔性的共轭聚苯胺分子链能够在有限空间内协助缓冲锌离子插层过程造成的晶格应力,提高结构稳定性。另外,原位红外光谱表征也表明了锌离子与氢质子协同参与的聚苯胺分子的掺杂与去掺杂过程,有助于提高电池容量和循环稳定性。对于储能过程的深入理解,为合理设计无机-有机层状结构材料用于高性能水系锌离子电池提供了设计思路。
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