中间相氢氧化镍的构筑及其在镍锌电池中的应用

来源 :江苏理工学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:naonao19890925
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资源和环境问题加大了对节约能源及清洁能源的需求,迫切需要开发新型化学电源或者提高原有的化学电源的性能帮助解决环境污染问题。镍锌电池作为一种绿色化学电源,拥有高性能、环保、安全和高性价比等特点,受到广泛关注,其相关电极材料的研究和开发成为目前研究的热点。本论文通过在Ni(OH)2晶格中掺杂Mn合成中间相α-β-Ni1-x Mnx(OH)2,研究Mn掺杂对α-β-Ni1-x Mnx(OH)2的结构和性能的影响。在此基础上将α-β-Ni1-x Mnx(OH)2生长在碳纳米管(CNT)表面制备α-β-Ni1-x Mnx(OH)2/CNT复合材料。将其作为正极材料制备的NiZn电池,展现出高的能量密度、库伦效应和长的循环寿命。具体研究内容如下:(1)通过化学共沉淀法制备中间相α-β-Ni1-x Mnx(OH)2。透射电子显微镜(TEM)图表明Mn成功掺杂进Ni(OH)2晶格中。采用X射线衍射仪(XRD)和傅里叶红外光谱(FTIR)对材料的相和结构进行表征。详细研究锰掺杂对产物结构的影响,表明当Mn掺杂量低于20%时样品的相结构为中间相α-β-Ni1-x Mnx(OH)2。结构和电化学性能之间的关系被调查。在相同测试条件下中间相α-β-Ni1-xMnx(OH)2的比容量高于β-Ni(OH)2的比容量。循环伏安(CV)测试结果表明最佳的锰掺杂量为3%。1 m V·s-1扫速下比容量为286.23 mAh·g-1。作为正极活性材料组装的NiZn电池在25 mA·cm-2的充放电电流密度下,经过1200个循环之后,能量密度依旧达到201.03 Wh·kg-1,库伦效率在97%以上。(2)为了更好的展现中间相α-β-Ni1-x Mnx(OH)2的电性能,采用两步法将α-β-Ni1-xMnx(OH)2生长在羟基碳纳米管表面。TEM图表明成功合成了α-β-Ni1-xMnx(OH)2/CNT复合材料。XRD图表明复合材料中Ni1-x Mnx(OH)2仍然为α-β相。CV测试表明α-β-Ni1-xMnx(OH)2/CNT(x=0.03)复合材料在2 mV·s-1扫速下的比容量为321.77 mAh·g-1,高于没有加入碳纳米管的比容量且超过了β-Ni(OH)2的理论值。α-β-Ni1-xMnx(OH)2/CNT(x=0.03)复合材料作为正极,Zn片作为负极,制作的NiZn软包电池充放电循环达到1400圈,且能量密度和库伦效率高于201.88 Wh·kg-1及96%。展现出优异的电化学性能。(3)模拟商用镍锌电池,将α-β-Ni1-x Mnx(OH)2/CNT(x=0.03)复合材料正极和碱式碳酸锌负极组装成NiZn软包电池研究其电化学性能。电流密度从10增加到50 mA·cm-2时,能量密度从156.32降低至144.03 mAh·g-1,降低了8%,展现出了良好的倍率性能。在充放电电流密度20 mA·cm-2下循环1400次,能量密度依然有150 Wh·kg-1,为最初能量密度的97%,库伦效率在96%以上。
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