【摘 要】
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水系锌离子电池由于其具有高安全性和低成本的优势被认为是一种很有前途的新型电池体系。此外,水系的电解质相对于有机溶液电解质具有更好的离子导电能力,具备更好的电化学性能。然而目前水系锌离子电池还处于研究阶段,实现水系锌离子电池的应用还要解决现阶段面临的科学问题。正极材料的结构限制、溶解,负极的腐蚀、钝化、枝晶等这一系列的问题严重地阻碍了水系锌离子电池的广泛应用。本文叙述了水系锌离子电池领域的研究进展,
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水系锌离子电池由于其具有高安全性和低成本的优势被认为是一种很有前途的新型电池体系。此外,水系的电解质相对于有机溶液电解质具有更好的离子导电能力,具备更好的电化学性能。然而目前水系锌离子电池还处于研究阶段,实现水系锌离子电池的应用还要解决现阶段面临的科学问题。正极材料的结构限制、溶解,负极的腐蚀、钝化、枝晶等这一系列的问题严重地阻碍了水系锌离子电池的广泛应用。本文叙述了水系锌离子电池领域的研究进展,包括正极材料的研究进展、锌负极的优化。在正极方面,本文针对碳复合材料的形貌设计、结构调整、性能优化等方面进行了研究;负极方面,本文研究了高强度琼脂糖凝胶电解质对锌负极的优化效果。本文取得的研究成果如下:1、我们采用水热法一步合成了氮还原氧化石墨烯包覆硫化锰（MnS@N-rGO）复合材料。MnS@N-rGO材料中,由于预充电实现了 Mn由低价转变为高价以及晶体结构转变为无定形态,从而使得材料表现出了较高的容量。同时由于N-rGO包覆作用,有效地抑制了 MnS的溶解问题,实现了稳定的循环。研究结果表明非晶态材料结合高导电的碳骨架可以实现正极材料性能的优化,使其具有高储锌能力、高循环稳定性。这将进一步拓宽我们寻找储能材料的视野。2、采用了盐模板的方法合成了一种多孔碳复合非晶态三氧化二钒材料（P-AV2O3-C）。得益于优良的导电网络和均匀分散的非晶V2O3的协同效应,3D P-AV2O3-C在0.5 A g-1的电流密度下可以实现510 mAhg-1的高放电容量,在20A g-1的高电流密度下循环5000次后也可以保留84.4%的初始放电容量。特殊的复合方式以及非晶态的材料作为正极材料同样可以实现高容量、高倍率、高循环寿命的水系锌离子电池。3、我们设计了一种兼具优异机械抑制效果和丰富极性官能团的高强度琼脂糖凝胶电解质（AGE）。高强度AGE有效地抑制锌枝晶的生长以及副产物（Zn4（OH）6SO4·5H2O、Zn（OH）2）的产生。使用AGE（1:15）组装的锌对称电池（ZSB）在0.5 mAcm-2和0.5 mAh cm-2条件下获得了长时间的稳定性（2000 h）,并且能够在15 mA cm-2和15 mAh cm-2条件下实现200 h的循环。使用AGE（1:15）组装的Zn‖V2O5@G在5 A g-1的条件下,具有较长的循环寿命、较高的初始比容量。高强度AGE的机械效应以及界面的优化效果有望用于其他电池体系中优化反应界面。4、基于高强度AGE界面优化效果以及机械抑制效果,我们将AGE应用在柔性铝空气电池（AABs）中,有效地抑制了铝的自腐蚀。我们设计了一种10 cm2软包AAB,该电池在3 mAcm-2时,其放电容量可达2148.5 mAh g-1,放电时间为20.1 h,能量密度为2766.9 Wh kg-1。最后我们组装300 cm2大面积的可穿戴护腕型AAB,可以在佩戴过程中为LED阵列和智能手机供电。这项工作不但设计了一种高性能可穿戴AAB,同时也证明高强度AGE在其他电池体系中的应用前景。
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