基于二硫化钛负极和二氧化钒正极的锌离子微电池的研究与应用

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随着科技的高速发展,越来越多的可穿戴电子设备被大家所熟知,这种趋势促进了对具有柔性、安全性和高性能等特殊需求的电池的研究。锌离子电池(ZIBs)由于其较低的成本,较高的安全性以及环保等特性,受到广泛的研究工作者的关注。为了让ZIBs更好地应对可穿戴电子设备的储能需求,有必要对ZIBs应用的多样化进行研究。本论文的研究内容主要包括下面的这两个部分:(1)以迈科烯(MXene)-二硫化钛(TiS2)为负极,多壁碳纳米管(MWCNTs)-二氧化钒(VO2)为正极,涂覆聚氨酯(PU)的聚丙烯酰胺(PAM)-硫酸锌(Zn SO4)水凝胶电解质设计了一种锌离子微型电池(ZIMBs)。“摇椅式”的Ti S2避免了树突的生长,MXene的加入提高了负极的电导率,水凝胶电解质令ZIMBs具有更高的柔性,PU的加入使水凝胶电解质具有愈合能力。根据电化学测试结果表明,ZIMBs的比容量可达到40.8μAh cm-2,能量密度最大可达到32.5μWh cm-2,功率密度最大能够达到1.2 m W cm-2,并且这种结构下的微型电池具有优异的柔性、耐温性和自愈合能力,将该微型电池从0°弯曲到150°,其容量并没有发生明显的衰减,将电池置于75℃的环境下,仍然可以正常工作,即便多次经历剪断-愈合的过程,ZIMBs依旧可以正常工作,并且容量并没有严重衰减,这为ZIMBs未来应用在可穿戴电子领域提供了更多的可能性。(2)正极材料对ZIBs来说也是至关重要的,为了让正极材料的性能更加优良,对VO2进行了改进。在合成VO2的过程中,加入苯胺单体,水热反应后,苯胺会聚合成聚苯胺(PANI),PANI可以改善VO2的电导率,进而提升VO2电极材料的电化学性能。根据电化学测试结果表明,PANI的引入确实提升了VO2电极材料的电化学性能,且PVO在0.3 A g-1的电流密度下,比容量可达到449.31 m Ah g-1。与VO2的性能相比取得了较大的提升,这为ZIBs正极提供了新的研究思路。
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