锌金属负极的表面调控及其电化学性能研究

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可充电水性锌离子电池因比容量高、生产成本低、对环境友好等优点而受到了广泛的关注,被认为是最有前景的储能系统。但是,锌金属负极在循环过程中存在枝晶生长、腐蚀和析氢等问题。这些问题的相互作用导致锌离子电池的库伦效率降低以及循环性能较差。目前,针对上述问题主要的解决方法有表面改性、结构设计、电解液优化、隔膜优化。本论文采用表面改性的方法在锌负极表面制备了均匀致密的保护涂层来解决锌负极循环过程中存在的问题,论文的主要内容如下:(1)采用酸腐蚀的方法分别将锌箔浸泡到磷酸、植酸、柠檬酸和草酸溶液中,使其表面形成相应的锌酸盐保护涂层。浸泡后的样品分别表示为磷酸锌@锌(PPZ@Zn)、植酸锌@锌(PZ@Zn)、柠檬酸锌@锌(CZ@Zn)、草酸锌@锌(OZ@Zn)。通过多种手段对锌酸盐保护层的物相、形貌和结构进行表征。同时,研究了未处理锌负极和酸处理后锌负极对称电池的电化学性能差异。结果显示,酸处理过后锌负极的性能均优于未处理锌负极。四种酸中磷酸处理过后锌负极的电化学性能最优。具有磷酸锌保护层的锌负极组装成的对称电池能够稳定循环3000 h,表现出优异的循环稳定性。分别以Li Fe PO4/C和CNT/Mn O2为正极材料组装成的全电池同样具有较高的容量保持率。进一步研究在磷酸溶液中的浸泡时间(1、2、4 min)对锌负极的影响以及磷酸浸泡性能最优的原因。结果表明,磷酸溶液浸泡2 min的样品选择性暴露(002)Zn晶面引导锌的横向沉积,能够有效避免循环过程中出现的枝晶生长等问题,具有最优的电化学性能。(2)参考溶液浸泡表面改性的方法,通过真空蒸镀的方法将Sn纳米颗粒成功附着在锌箔/铜箔/铜泡沫表面形成保护涂层。对样品的表面形貌和结构以及电化学性能进行了分析。实验结果显示,均匀致密的Sn纳米颗粒能够作为金属种子引导锌的均匀沉积避免了循环过程中的枝晶生长现象。同时Sn保护涂层能够防止锌负极和电解液直接接触,提高了锌负极的耐腐蚀性。结果表明,锡@锌(Sn@Zn)负极组装成的对称电池具有优异的循环稳定性,在高电流密度下能够稳定循环800 h。以CNT/Mn O2为正极材料组装成的全电池循环700个周期后仍然保持167.6 m Ah g-1的高容量。同样,以Sn纳米颗粒作为保护涂层对3D多孔铜泡沫(Cu foam)电极的改性也得到了验证。
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