高能量密度長循環(huán)壽命水系離子電池的電化學行為及應用研究.pdf

1、智能電網(wǎng)、家庭備用電源等大規(guī)模應用的儲能系統(tǒng)技術需具備安全性高，成本低和壽命長等特點。由于價格低廉、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)模應用會造成嚴重的環(huán)境污染。長遠看來，要發(fā)展環(huán)境友好的、能量密度不低于鉛酸電池的、長壽命水系電池。
　　1、對于水系電池，通常的鈉離子電池材料為Na0.44MnO2

2、，比容量為45mAhg-1。我們通過固相反應合成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。通過和磷酸鈦鈉負極材料進行匹配組裝全電池，在50W/kg的功率密度下能夠發(fā)揮出30Wh/kg的能量。同時我們發(fā)現(xiàn)電解液對電池性能影響很大。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)過程中發(fā)生不可逆的結(jié)構坍塌并且錳元素溶解嚴重。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穩(wěn)定窗口(1.2V)導致了水系電池工作電壓和能量密度低。通過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，使得電解液的電化學穩(wěn)定窗口拓寬到2.2V。DFT理論計算表明，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。采用鋅片作為負極材料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，電解液的電化學穩(wěn)定窗口進一步拓寬到3.2V，首次采用TiS2作為負極材料并展現(xiàn)出140mAh g-1的高比容量，全電池能量密度高達100Wh kg-1。
　　3、我們