基于NiMoO4正极的镍锌电池和镍锌/锌-空气复合电池研究

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新型镍锌/锌-空气复合电池巧妙地结合了镍锌电池(Ni-Zn)和锌-空气电池(Zn-Air)的优点,提供高工作电压、能量密度和功率密度,被认为是一种具有实际应用前景的锌基电池。遗憾的是,此类电池的研究很少,已报道的正极材料十分有限,严重阻碍了锌复合电池的发展与应用。本文以钼酸镍(NiMoO4)为电化学活性材料,通过原位生长策略使其生长在泡沫镍(NF)上以制备一体化NiMoO4/NF正极,对其微观结构、化学组成和电化学性能进行系统表征,并用于镍锌电池和复合电池中。本文为锌复合电池的发展提供了一定的参考价值。本文通过水热法在泡沫镍表面生长了NiMoO4纳米线,获得钼酸镍前驱体电极(Pre-NiMoO4/NF)。经过低温煅烧获得了NiMoO4/NF。对两种电极进行了物理表征,获得最佳水热条件为120℃水热6 h。使用碳黑(CB)和聚偏氟乙烯(PVDF)对NiMoO4/NF进行表面处理,获得了CB-NiMoO4/NF电极。对以上三种电极进行了电化学测试,Pre-NiMoO4/NF的结合强度低,阻抗大(6Ω),不适合电池测试。CB-NiMoO4/NF的阻抗值仅为0.6Ω,10 m V/s扫速下峰值电流为NiMoO4/NF的3.5倍,具有更出色的容量和电子传输能力。研究了NiMoO4/NF和CB-NiMoO4/NF在镍锌电池中的性能。结果表明,镍锌电池放电电压窗口为1.7-1.8 V,水热生长的NiMoO4载量为2-10 mg/cm~2,集中于3-5 mg/cm~2,且载量越高,利用率越低。纽扣电池性能衰减严重。相比之下,槽式NiMoO4//Zn电池的倍率和循环性能更优异,且CB-NiMoO4//Zn在2、5、10、1 m A/cm~2下放电时,容量保持率分别为97.5%、87%、76.9%、93.2%。300次循环后,NiMoO4//Zn和CB-NiMoO4//Zn的容量保持率分别为39.5%和89.7%,证明CB-NiMoO4/NF在电池中的性能也更出色。为了弥补镍锌电池低能量密度的缺点,引入了氧还原反应(ORR),使用钴碳催化剂-钼酸镍/泡沫镍电极(Cat.Co-NiMoO4/NF)组装复合电池,进行了循环和倍率性能测试。得到复合电池的双放电电压平台,分别位于1.73 V和1.2 V,对应金属离子氧化还原和ORR。得益于电极良好的ORR活性,电池在1.2 V呈现出稳定的Zn-Air放电平台。在10 m A/cm~2下,长期持续放电9000 min(放电容量达1427 m Ah)没有失效。
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