高比能量柔性薄膜单体热电池的研究

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热电池是一种依靠加热来激活的一次电源,激活时间短,拥有大电流放电能力,能在各种恶劣苛刻的野外环境下储存数十年而不失效。粉末压片法是目前常用的热电池正极-电解质复合片的制备方法,该法的制备工艺较为复杂、制备的复合片韧性差,生产成本较高,难以实现柔性以及异形化的单体热电池的制备。本文通过简单的流延成型工艺,制备了两种柔性氧化物薄膜正极以及柔性电解质薄膜,对两种薄膜正极的电化学性能和高温反应机理进行了研究。然后进一步组装了CuO柔性薄膜单体热电池并对其电化学性能进行了研究。(1)分别采用CuO、NiO为活性材料,以流延成型法制备了柔性CuO、NiO薄膜正极,两者厚度均在100μm以内,具备良好的柔性和机械强度,能够承受上百次的大角度弯折而不破损。(2)利用CuO薄膜正极搭配片型电解质组装的单体电池具有较高的平台电压和比容量。以1.7 V作为截止电压,在480℃温度下以200 m A cm-2的电流密度进行放电时的正极活性材料的比容量达到442.2 m A h g-1,比能量为836.4 W h kg-1。结合放电产物的表征结果及相关研究报道推断CuO作为Li热电池正极材料的高温反应机理为:Li+3CuO→Li Cu3O3;Li+2Li Cu3O3→3Li Cu2O2;Li+Li Cu2O2→Li2O+Cu2O;Li+Cu2O→Li2O+Cu。(3)相较于CuO,NiO薄膜正极搭配片型电解质组装的单体电池电压偏低,但是其具备更高的比容量和电压精度。其在550℃温度下以100 m A cm-2的电流密度进行放电时的平台电压最为理想,达到1.59 V。正极活性材料的比容量达到481.9 m A h g-1时,电压精度依旧可以保持在87.62%。结合XRD和透射电镜的表征结果推断NiO作为Li热电池正极材料的高温反应机理为:NiO+2Li++2e-→Ni+Li2O。(4)利用同样的流延成型工艺制备了柔性电解质薄膜,搭配柔性CuO薄膜正极和Li B合金负极组装了柔性单体热电池。当以1.5 V作为截止电压时,该柔性单体电池在480℃温度下以50 m A cm-2和100 m A cm-2电流密度进行放电时的正极活性材料比能量分别达到1398.9 W h kg-1和1014.2 W h kg-1,单体电池的比能量也分别达到了326.6 W h kg-1和223.4 W h kg-1。
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