基于锰、钴基复合材料的制备及在锌基储能器件中应用研究

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天然气、煤炭、石油等常规能源的储量紧缺且不可再生,其带来的温室效应、酸雨等问题不容轻视。所以可再生能源作为替代品逐渐走进了大众视野,但洋流能、地热能、波浪能等可再生能源具有不稳定性、受时间地域限制,导致这类可再生能源形式发展受阻。因此,储能器件的发展成为个人、集体、乃至全球提供能源供应的重中之重。目前,储能器件的技术日益成熟且功能多样化,如抗寒、可穿戴等。其中,无毒、安全性高、比功率高、理论容量可观和可逆性好的锌基储能器件在该领域受到极大的关注,其中包括高容量的锌离子电池、兼具电容器和电池优点的锌离子混合电容器等。最重要的是金属锌的成本低且地球储量远高于金属锂,因此在电网储能中具有很好地应用前景。为了发展高性能的锌基储能器件,开发和优化电极材料是行之有效的解决方法,正极材料是影响储能器件电化学性能的重要角色,因此本论文对于锌离子电池、锌离子混合电容器正极材料进行研究。本文通过原位生长的方法制备了过渡金属化合物复合材料,应用扫描电子显微镜、透射电子显微镜等仪器测定和分析了材料的形貌、结构、成分等。除此之外,将材料组装成扣式电池进行电化学性能分析,同时制得了柔性电池,验证了其实用性。为锌离子电池和锌离子混合电容器的进一步研究提供了理论支持。本文主要研究内容如下:1、采用了原位沉积及水热相结合的方法在碳布(Carbon Cloth,CC)上制备了一种聚苯胺(Polyaniline,PANI)及二氧化锰复合的正极材料(PANI-Mn O2@CC),该材料由于聚苯胺的掺入,扩大了二氧化锰层间距离,提高了Mn O2的电导率,促进了离子传输及Zn2+离子的储存,从而使得复合材料在电流密度为0.2 A g-1时达到479.9 m Ah g-1的较高比容量。制备的袋状锌离子电池在弯折180°时,在0.2 A g-1电流密度下维持了392.6 m Ah g-1的比容量,表明Zn//PANI-Mn O2(1 h)@CC电池在柔性储存能量领域具有很强的可实用性。2、采用原位生长方法在预先电解的碳纤维布上聚合了Co/Zn-ZIF纳米材料,Co/Zn-ZIF纳米粒子具有较高的比表面积和介孔结构,Co/Zn-ZIF(M24)@CC电极在0.5 A g-1的电流密度下表现出了418.3 F g-1的高比电容。此外,Co/Zn-ZIF(M24)@CC电极显示的能量密度为124.6 Wh kg-1,功率密度则为49.2 W kg-1。利用非原位X射线光电子能谱技术(X-ray photoelectron Spectroscopy,XPS)表征手段,证明了Co/Zn-ZIF纳米颗粒的质子和锌离子共嵌入的储能机理。独特的储能机理大大改善了材料的储锌特性。
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