高能量密度長(zhǎng)循環(huán)壽命水系離子電池的電化學(xué)行為及應(yīng)用研究.pdf

1、智能電網(wǎng)、家庭備用電源等大規(guī)模應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)需具備安全性高，成本低和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。由于價(jià)格低廉、安全性較高，水系電池是值得發(fā)展的一種二次電池。傳統(tǒng)的水系電池中鉛酸電池占有大量市場(chǎng)份額，其能量密度一般為30Wh/kg，電池含有大量有害的Pb重金屬，電解液使用硫酸，大規(guī)模應(yīng)用會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，要發(fā)展環(huán)境友好的、能量密度不低于鉛酸電池的、長(zhǎng)壽命水系電池。
　　1、對(duì)于水系電池，通常的鈉離子電池材料為Na0.44MnO2

2、，比容量為45mAhg-1。我們通過(guò)固相反應(yīng)合成NaMnO2，CV掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn)該材料既具有贗電容性能又有部分脫嵌鈉離子性能，因此能夠在1C的倍率下表現(xiàn)出65mAh g-1的高比容量。通過(guò)和磷酸鈦鈉負(fù)極材料進(jìn)行匹配組裝全電池，在50W/kg的功率密度下能夠發(fā)揮出30Wh/kg的能量。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)電解液對(duì)電池性能影響很大。使用1M Na2SO4作為電解液，電池在500次循環(huán)后容量衰減為首次容量的25％。通過(guò)ICP-AES元素分析和XRD粉末

3、衍射分析發(fā)現(xiàn)，1M Na2SO4作為電解液，正極材料在循環(huán)過(guò)程中發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)坍塌并且錳元素溶解嚴(yán)重。使用2M CH3COONa作為電解液，電池在500次循環(huán)后仍然能夠保持首次容量的75％。
　　2、水系電解液本身窄的電化學(xué)穩(wěn)定窗口(1.2V)導(dǎo)致了水系電池工作電壓和能量密度低。通過(guò)向電解液中添加十二烷基硫酸鈉(SDS)，改變了電解液電極界面結(jié)構(gòu)，使得電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口拓寬到2.2V。DFT理論計(jì)算表明，SDS分子親水端吸附

4、在電極表面，疏水端伸向電解液中在電極和電解液表面形成一層單分子吸附層，該吸附層可以有效抑制了析氫（析氧）反應(yīng)。采用鋅片作為負(fù)極材料Na2MnFe(CN)6納米材料作為正極材料組裝全電池能夠輸出170Wh/kg的能量。采用高濃度電解液降低水的活度能夠提高水的分解活化能，電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口進(jìn)一步拓寬到3.2V，首次采用TiS2作為負(fù)極材料并展現(xiàn)出140mAh g-1的高比容量，全電池能量密度高達(dá)100Wh kg-1。
　　3、我們