高鐵酸鹽堿性固態(tài)電解質(zhì)電池電化學(xué)性能研究.pdf

1、隨著人們對(duì)綠色化學(xué)電源需求的日益擴(kuò)大和現(xiàn)有電極材料資源的日益枯竭,高鐵酸鹽系列化合物以其較高的比容量、放電產(chǎn)物無毒無污染及鐵資源豐富等優(yōu)點(diǎn)有望成為新一代高能“綠色環(huán)保電池”的正極材料,但由于高鐵酸鹽在堿液中有一定的溶解度且在堿液中的穩(wěn)定性較差,極易分解為低價(jià)鐵的氧化物,大大限制了高鐵酸鹽的放電容量。將固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)用于高鐵酸鹽一次堿性電池,既作隔膜又作電解質(zhì),可以提高高鐵酸鹽的穩(wěn)定性,降低高鐵酸鹽的分解,改善高鐵酸鹽正極的自放電,提高高鐵

2、酸鹽的放電性能。 本論文采用次氯酸鹽氧化法制備出了純度較高的高鐵酸鉀,運(yùn)用XRD和SEM等測(cè)試手段對(duì)其結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征,并采用溶液鑄膜法制備出了PVA/PAA-KOH-H2O復(fù)合堿性固態(tài)電解質(zhì)膜,SEM測(cè)試表明其表面呈均相的非晶態(tài)結(jié)構(gòu),交流阻抗法測(cè)得其室溫離子電導(dǎo)率可達(dá)3.5×10-2S/cm,循環(huán)伏安測(cè)試其電化學(xué)窗口較寬為3.4V。將其應(yīng)用于一次堿性K2FeO4-Zn電池,研究了將固態(tài)電解質(zhì)膜于不同濃度KOH堿液中預(yù)處理和

3、不同放電倍率下K2FeO4-Zn堿性固態(tài)電解質(zhì)電池的放電性能,結(jié)果表明,9mol/L為最佳固態(tài)電解質(zhì)膜預(yù)處理堿液濃度,0.4C為最佳放電倍率,1.0V以上容量最高可達(dá)222.6mAh/g,并表現(xiàn)出良好的放電平臺(tái)特性。 在K2FeO4中分別添加不同含量的強(qiáng)氧化劑KMnO4和NaBiO3對(duì)堿性固態(tài)K2FeO4-Zn電池進(jìn)行改性研究,結(jié)果表明最佳添加量為5％,循環(huán)伏安測(cè)試和對(duì)放電后極片進(jìn)行XRD測(cè)試表明,少量KMnO4也參與了放電反應(yīng)

4、,改變了高鐵正極的放電過程,在放電過程中起電催化作用。添加5％NaBiO3后放電容量有很大提高可達(dá)377.0 mAh/g,放電效率為92.9％,放電曲線與未添加時(shí)相比出現(xiàn)兩個(gè)放電平臺(tái),且第二個(gè)放電平臺(tái)較長(zhǎng)較平坦,1.0V以上容量可達(dá)370 mAh/g,同時(shí)對(duì)其添加改性機(jī)理進(jìn)行了初步研究,結(jié)果表明,添加NaBiO3可以有效抑制高鐵酸鉀溶解造成的自分解,且NaBiO3的加入減小了放電過程中的陰極極化,有效改善了傳質(zhì)、傳荷過程,使放電容量有很

5、大的提高。 采用溶膠—凝膠法合成出納米級(jí)SrTiO3,XRD和SEM對(duì)其進(jìn)行了表征和分析,將其添加到K2FeO4中改性堿性固態(tài)K2FeO4-Zn電池的放電性能,電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,SrTiO3添加量為5％時(shí)改性效果最佳,放電容量可達(dá)344.0mAh/g,1.0V以上容量可達(dá)298.0 mAh/g,放電效率比未添加時(shí)提高26％。為探索SrTiO3添加改性的機(jī)理,又在K2FeO4正極中分別添加了5％Sr(OH)2和5％TiO2進(jìn)行了

6、放電性能比較,結(jié)果表明,在SrTiO3添加改性的過程中,Sr2+和TiO32-均起到一定作用,一方面添加SrTiO3后可有效防止K2FeO4溶解損失造成的放電容量的降低；另外,加入SrTiO3后有利于提高電子電導(dǎo)率,有利于降低放電過程中的歐姆極化和電化學(xué)極化,有效提高放電容量。同時(shí)又采用溶膠一凝膠法合成出了MgTiO3和CaTiO3,對(duì)一系列堿土金屬鈦酸鹽添加改性堿性固態(tài)K2FeO4-Zn電池進(jìn)行了放電性能比較,結(jié)果表明堿土金屬鈦酸鹽可