水系锌离子电池正极材料制备及电化学性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 彭磊 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 硕士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 杨科 |
| 关键词 | 水系锌离子电池 正极材料 二维纳米片 原位同步辐射衍射技术 密度泛函理论计算 |
| 英文摘要 | 由于传统储能技术带来的环境污染和能源危机,人们一直致力于研发新的高能量密度、环境友好的储能设备。锂离子电池因其高效能、高电压、长循环寿命等优点被广泛应用于商业储能装置,但其也有成本高,安全问题多的缺点。作为新兴的、极具发展前景的可替代储能技术,锌离子可充电电池因其丰富的自然资源、内在的安全性和成本效益而倍受关注。目前,已报道的锌离子电池正极材料主要有锰氧化物、钒氧化物和普鲁士蓝类似物。但其低容量、低离子导电性及较差的循环性能等劣势阻碍了这些正极材料的潜在应用。因此,锌离子电池正极材料的开发是当前新能源领域的研究热点之一。过渡金属硫族化合物因具有高导电率和大层间距的优点,有潜力成为优质的锌离子电池正极材料。本论文采用了水热法制备硒化铋(Bi_2Se_3)、碲化铋(Bi_2Te_3)两种二维层状纳米材料,并分别研究了由这两种正极材料构筑的水系锌离子电池的电化学性质,结合同步辐射原位衍射技术研究探索其储能机制。取得的主要成果如下:(1)通过两步水热法合成硒化铋纳米片(TBSNs),并首次将其作为正极材料设计并构筑了Zn/Bi_2Se_3电池。实验结果表明Zn/Bi_2Se_3电池在小电流密度(100mA g~(-1))下具有263.2 mAh g~(-1)的容量,并且在大电流密度(10 A g~(-1))下500次循环后仍保持80 mAh g~(-1)的容量,这说明Bi_2Se_3纳米片是可逆性和倍率性能优越的正极材料。研究结果表明Zn/Bi_2Se_3电池优异的性能主要归因于其显著的电容控制动力学过程。结合原位同步辐射衍射技术,揭示了Zn/Bi_2Se_3电池具有双载流子的储能机制:先H~+后Zn~(2+)的插入顺序以及先Zn~(2+)后H~+的脱出顺序。此外,密度泛函理论分析证实了低吸附能的质子优先嵌入过程,可进一步提高硒化铋纳米片对Zn~(2+)的吸附和输运能力,从而提升了电池的电化学性能。(2)通过水热插层/剥离方法大规模制备了碲化铋(Bi_2Te_3)纳米片,并首次将该纳米片应用作为锌离子电池正极材料。电化学测试结果表明100 mA g~(-1)的电流密度下材料的最大放电比容量可达到133.9 mAh·g~(-1);50圈循环后容量保持率达73.2%。利用同步辐射衍射技术对Bi_2Te_3正极材料在充放电过程中的结构变化进行了原位表征,发现Zn/Bi_2Te_3水系电池在放电/充电过程中具有高度可逆的质子插层过程,证实了质子在碲化铋正极材料中的可逆输运特性。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33899]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 彭磊. 水系锌离子电池正极材料制备及电化学性能研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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