增强型电化学辅助锂离子提取电极的制备与性能研究

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锂(Li)是一种用途广泛的金属元素,对其提取方法展开研究是有必要的。国内Li资源以卤海水型为主,尤其在成本方面卤海水提Li有着明显的竞争优势。但是,卤海水由氯化物和硫酸盐等碳酸盐电解质组成,含有多种离子且海水中Li+的浓度仅为0.17 mg·L-1,导致Li+提取面临很大问题。电容去离子(Capacitive deionization,CDI)被视为有很好前景的离子提取手段,具有脱盐容量高、成本低和环境友好等优点。论文工作基于CDI技术,合成出了三明治状还原氧化石墨烯(rGO)/钒酸锂(Li3VO4,LVO)和碳包覆的鹿角珊瑚状的磷酸钒锂(Li3V2(PO4)3,LVPO)纳米复合电极。进一步通过与活性炭(AC)构建CDI模块进行Li+的提取研究。具体内容如下:采用一种简便的原位烧结方法制备出LVO/rGO纳米复合电极。电化学测试表明当rGO掺杂量为20 mL时(LVO/rGO-20),在100 mV/s扫描速率下LVO/rGO-20具有最高的的比容量,为318.70 F/g,远高于纯 LVO(208.31 F/g)。锂离子提取实验(LithiumIons Extraction,LIE)结果表明:LVO/rGO-20 ‖ AC系统的Li+提取容量高达39.53 mg/g,较LVO ‖ AC系统(29.35 mg/g)有较大幅度提升。此外,LVO/rGO-20 ‖ AC系统还具有可观的循环再生能力,经历20圈循环后Li+提取容量为30.84 mg/g,容量保持率为78.02%。实验结果表明:加入rGO增大了比表面积,提高了传输动力学以及Li+提取容量。采用柠檬酸(CA)作还原剂,通过冷冻干燥和多次退火处理制备了 LVPO/C复合电极。X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)结果表明引入还原剂CA促使V5+向V3+转化,可以制备出高结晶度LVPO。电化学测试表明:LVPO/C-1.00(CA量与NH4VO3的摩尔比为1:1时)在100 mV/s扫描速率下的比容量为316.68 F/g。LIE结果表明:在恒定电压模式下,LVPO/C-1.00 ‖ AC装置的Li+提取容量达到9.60mg/g。在恒定电流模式下,Li+提取容量达到35.80 mg/g。同时,该装置经过20圈的循环后Li+提取容量从25.89 mg/g降到14.07 mg/g。进一步地,X射线光电子能谱和原位XRD也表明Li+可以在LVPO/C中多次嵌入脱出而不影响其结构稳定性。此外,CA的引入可以提高LVPO/C的离子扩散速率。
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