水体系锌离子电池电极/电解质界面改性

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水系锌离子电池具有安全性高、成本低和能量密度高等特点,在大型储能领域显示巨大优势,然而锌负极在充放电过程中仍存在枝晶生长、缓慢腐蚀及钝化等一系列问题,导致电池发生短路或胀气引发安全事故。此外,锰氧化物正极在电化学循环过程中存在相转变和锰溶解。因此,改善电极/电解液界面对提升电池性能具有重要意义。本论文主要通过正极材料表面改性,电解液中加入不同类型的添加剂来改善电极/电解质界面稳定性,进而提升水系锌离子电池的整体性能。(1)水热法制备出微米级三维多孔MnOx立方盒子,并在其表面包覆导电性优异的In2O3后得到三维多孔Mn Ox@In2O3立方盒子。三维多孔结构有利于构建快速离子传输通道,In2O3包覆层有利于抑制Mn Ox在电化学循环过程中的不可逆相变和锰的溶解,稳定电极/电解质界面。以该材料作为锌离子电池的正极,在0.3 A g-1的小电流密度、深度放电条件下稳定循环400次后仍能保持260 m Ah g-1的高容量;此外,在1.8 A g-1电流密度下循环4000次后比容量高达81 m Ah g-1;即使在6.0 A g-1高电流密度下仍保持73.4 m Ah g-1的高可逆容量。(2)将明胶作为有机添加剂添加到锌离子电池的普通电解液(2MZnSO4+0.1M Mn SO4)中以增强电极/电解质界面。明胶中的酰胺基团可以强烈吸附在负极表面上,利用位阻阻碍Zn连续沉积在尖端上,从而保护Zn负极/电解质界面,抑制Zn枝晶生长。在3 m A cm-2电流密度下,加入0.5 g L-1明胶的Zn|Zn对称电池能稳定循环超过1300h;该电解液组装的Zn//Mn O2全电池在1.8 A g-1电流密度下可稳定循环超过3000次,容量保持率达到83%。然而,当明胶的量大于1.0 g L-1,由于吸附作用会使Zn的沉积变得困难,电化学极化变得更大致使容量变得更小。(3)通过在传统电解液(2MZnSO4+0.1M Mn SO4)中加入无机缓蚀剂In2(SO4)3来稳定锌负极界面,提升锌离子电池的电化学性能。In3+的存在不仅可提高锌电极的析氢过电位,且可抑制锌枝晶生长和减缓锌表面钝化,提升水系锌离子电池的容量及循环性能。在电流密度为0.5 m A cm-2时,在电解质中加入In2(SO4)3量为0.5 g L-1的对称电池显示出了长达1400小时的优异的循环性能;在0.3 A g-1电流密度下Zn//Mn Ox@In2O3全电池稳定循环超过1000圈且容量保持率超过85%。
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