三维V2O5石墨烯的制备及其在镁离子二次电池正极材料的应用研究
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2020高三化学高考题型突破:——化学电源:新型金属电池(选择题提升训练)(本文档共28选择题,每题2分,共56分,建议60分钟)1.大功率的镍氢电池使用在油电混合动力车辆中。
镍氢电池(NiMH电池)正极板材料为NiOOH,负极板材料为吸氢合金,下列关于该电池的说法中正确的是( )A.放电时电池内部H+向负极移动B.充电时,将电池的负极与外接电源的正极相连C.充电时阳极反应式为Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2OD.放电时负极的电极反应式为MH n-n e-===M+n H+C [A项,根据原电池工作原理,阳离子向正极移动,错误;B项,充电时电池的负极要接电源的负极,电池的正极要接电源的正极,错误;C项,根据电池工作原理图,电池正极的电极反应式:NiOOH+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-,充电是电解池,发生的电极反应式与原电池的电极反应式是相反的,即阳极电极反应式:Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O,正确;D项,该电池的环境是碱性环境,不能有大量H+存在,电极反应式:MH n+n OH--n e-===M +n H2O,错误。
]2.我国科学家发明的水溶液锂电池为电动汽车发展扫除了障碍,装置原理如下图所示,其中固体薄膜只允许Li +通过。
锂离子电池的总反应为xLi+Li 1-x Mn 2O 4⇌充电放电LiMn 2O 4,下列有关说法错误的是( )A. 放电时,Li +穿过固体薄膜进入到水溶液电解质中B. 放电时,正极反应为Li 1−x Mn 2O 4+xLi ++xe −=LiMn 2O 4C. 该电池的缺点是存在副反应:2Li +2H 2O =2LiOH +H 2↑D. 充电时,电极b 为阳极,发生氧化反应 【答案】C【解析】解:A .原电池工作时阳离子向正极移动,则放电时,Li +穿过固体薄膜进入到水溶液电解质中,故A 正确;B .正极发生还原反应,Li 1-x Mn 2O 4得电子被还原,反应为Li 1-x Mn 2O 4+xLi ++xe -=LiMn 2O 4,故B 正确;C .锂和水不接触,不存在锂和水的反应,故C 错误;D .b 为原电池正极,充电时连接电源正极,为电解池的阳极,发生氧化反应,故D 正确。
崔屹NatureNanotechnology:⾦属锂负极替代者——锂合⾦⽯墨烯负极!【引⾔】近年来,新能源汽车市场的异军突起迫切要求⼈们研发出兼具⾼能量密度和长使⽤寿命的动⼒电池,这主要是因为:传统锂离⼦电池(以⽯墨作负极,理论容量370 mAh/g)已不能满⾜上述能源需求。
针对该棘⼿难题,具有较⾼能量密度的⾦属合⾦电极(如Si、Sn、Al合⾦电极)被⼴泛研究,但上述⾼容量合⾦电极作负极、锂盐(磷酸铁锂等,容量<200 mah/g)为正极材料时,较低的电池容量⼤⼤削弱了其应⽤前景。
此外,拥有较⾼⽐容量的锂⾦属(3860=""mah/g)作为电池负极时,使⽤过程的锂枝晶问题、体积膨胀、⾼反应活性(极易于⽔⽓、空⽓、电解液反应)成为了锂⾦属负极的诟病。
基于此,整合上述合⾦电极与锂⾦属以制备锂合⾦电极(lixm,其中m="">200>【成果简介】近⽇,斯坦福⼤学崔屹教授(通讯作者)团队在Nature Nanotechnology上发表了题⽬为“Air-stable and freestanding lithium alloy/graphene foil as an alternative to lithium metal anodes”的研究成果。
研究⼈员⾸先将制备的锂合⾦(LixM)纳⽶颗粒包覆于具有优异疏⽔性能、低⽓体渗透性能的⽯墨烯(<10层)材料之中,随后将锂合⾦>10层)材料之中,随后将锂合⾦>4、V2O5、S为正极材料的锂电池中,并以锂⾦属负极、⽯墨烯负极做为参照实验,⾼电流密度充放电使⽤情况下,测试了电池的电化学性能,并对负极材料进⾏了SEM、TEM、XPS、柔韧性和强度、疏⽔性表征。
结果表明:锂合⾦/⽯墨烯作为负极的电池,⾼电流密度下充放电循环400次后,电池依然能够保持初始容量的98%,这主要是因为:(1)LixM合⾦材料能够有效应对嵌锂-脱锂过程所带来的体积膨胀变化;(2)包覆的⽯墨烯材料具有较好的疏⽔性能、较低的⽓体渗透性能,提⾼了负极的稳定性(防⽌与空⽓、⽔、电解液的反应);(3)对锂硫电池⽽⾔,包覆的⽯墨烯材料抑制了多硫化合物与负极的反应,降低了正极硫活性物质的损耗,得以保持电池的容量。
新能源材料印度首次研发出铁离子电池印度理工学院(IIT)马德拉斯的研究人员首次以低碳钢为阳极制造出一种可充电的铁离子电池,可储存电量及性价比都较高。
由该院物理系桑德拉(Ramaprabhu Sundara)教授领导的研究小组制造的铁离子电池,可进行150次循环的充放电。
在50次充放电循环结束时,电池保持54%的容量,显示出良好的稳定性。
在可控条件下,铁离子电池每千克可提取220W h能量,是锂离子电池性能的55%~60%。
锂离子电池的能量密度约为350Wh/kg。
电池还可以在高电流密度下循环,可更快地从电池中提取能量。
在纯铁中,铁离子不可能轻易从阳极中去除并将其重新注入电池,但低碳钢中存在的少量碳促进了这一过程。
铁在充电过程中更稳定,因此可防止电池短路。
与流行的金属锂电池相比,铁离子电池能够降低成本、更安全。
在铁离子电池中,五氧化二钒(V2O5)被用作阴极。
V2O5是一种层状结构,层与层之间间距很大,使铁离子容易进入并结合到阴极的层间,很容易拆卸并移回阳极。
V2O5已被用作多价离子电池的阴极。
此外,研究小组采用一种不同的电解液-含溶解高氯酸铁的醚基电解液。
他们尝试不同的电解质,包括传统的电解质以及不同电解质的组合,但以含高氯酸铁的醚基溶剂为电解液效果最佳。
高氯酸铁的行为就像正极和负极之间的离子传导介质。
(科技部)南澳批准建设风能、太阳能、电池和氢能超级中心南澳一项颇具雄心的项目计划已经获得了州政府的发展批准——该项目计划将风能、太阳能、电池储能和绿色氢能源相结合,形成一个全天候混合式能源发电设施。
澳洲NeoenCrystalBrook能源公园计划在皮里港东南23km处和南澳大利亚同名城镇以北3km处,安装一个高达125MW的风力发电、150MW的太阳能发电和130MW/400MWh的锂离子电池储能设施。
(中国半导体行业协会)全球首条太阳能驱动铁路将在英国投入运营英国汉普郡奥尔德肖特附近的一条铁路线计划实现完全由太阳能供电——通过附近的一个太阳能发电厂。
我国科学家研制成功新型铝——石墨烯电池
佚名
【期刊名称】《农业装备与车辆工程》
【年(卷),期】2018(56)1
【摘要】近日,浙江大学高超团队研制出新型铝-石墨烯电池,短短几秒便可充电完成,循环充放25万次后依然电力十足,并展现出耐热、抗冻,反复弯折不影响性能等优异特性,显示出广泛的应用前景.铝-石墨烯电池的正极是石墨烯薄膜,负极是金属铝.把两片电池串联在一起,就能点亮一组LED灯.
【总页数】1页(P94-94)
【关键词】金属铝;电池;石墨;科学家;浙江大学;LED灯;可充电
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.21
【相关文献】
1.我国科学家成功研制新型铝-石墨烯电池 [J], 《人民日报》报社
2.宁波材料所与浙江省石墨烯制造业创新中心联合研制出3 kW石墨烯基铝燃料电池发电系统 [J],
3.宁波材料所与浙江省石墨烯制造业创新中心联合研制出3kW石墨烯基铝燃料电池发电系统 [J], 《腾讯新闻网》;
4.宁波材料所与浙江省石墨烯制造业创新中心联合研制出3kW石墨烯基铝燃料电池发电系统 [J],
5.浙江大学研制成功新型铝-石墨烯电池 [J],
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物 理 化 学 学 报Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (5), 2210027 (1 of 18)Received: October 20, 2022; Revised: December 14, 2022; Accepted: December 19, 2022; Published online: January 3, 2023. *Correspondingauthor.Email:***************;Tel.:+86-10-64434703.The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (52273274), the State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites (oic-202101010), and the Natural Science Basic Research Project of Shaanxi Province (2022JQ-123).国家自然科学基金(52273274), 有机无机复合材料国家重点实验室(oic-202101010)和陕西省自然科学基础研究计划项目(2022JQ-123)资助© Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica[Review]doi: 10.3866/PKU.WHXB202210027Recent Progress of MXenes in Aqueous Zinc-Ion BatteriesHuan Liu 1, Yu Ma 1, Bin Cao 1, Qizhen Zhu 2, Bin Xu 2,*1 College of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China.2 State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites, Beijing Key Laboratory of Electrochemical Process and Technology forMaterials, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China.Abstract: In recent years, aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) have received considerable interest as a novel and promising alternative energy storage technology. Owing to their particular structural traits and physicochemical qualities, MXenes as cathodes impart significant beneficial properties to AZIBs, such as readily modifiable two-dimensional (2D) structure, high electrical conductivity, desirable chemical composition, and controllable surface chemical properties. This review includes a comprehensivediscussion on the progression of MXenes in AZIBs in relation to the most sophisticated structural design and performance optimization methodologies available for the construction of cathodes and anodes. MXenes may be utilized directly as an active material or a precursor of an active material in cathodes to achieve a long cycle life and high rate performance because of their contribution, which is summarized as follow: (1) MXenes with a 2D layered structure and high conductivity can be employed as a conductive substrate in combination with manganese and vanadium oxides to enhance the cycle and rate performance of composite materials; (2) zinc ion transport kinetics is accelerated in manganese and vanadium oxide composites when 3D MXenes are used as a substrate; (3) MXenes allow excellent electrolyte penetration owing to the presence of abundant hydrophilic functional groups, which may enhance the electrochemical response of composite electrode materials; (4) MXene derivatives contain a broad range of surface functional groups and exhibit high activity and a wide voltage window; (5) MXenes possess remarkable mechanical flexibility, allowing for the production of flexible wearable AZIBs. Moreover, MXenes can be employed as a 2D/3D host, zincophilic seed matrix, and zinc interface protection layer to retard zinc metal corrosion and dendrite formation when zinc metal is used as the anode because of the following advantages: (1) MXenes have a 2D structure and multi-functional surface, allow excellent water dispersion, and can be processed into various porous skeletons; (2) MXenes exhibit excellent electrical conductance and ion diffusion, allowing for rapid electrochemical kinetics during zinc plating/stripping; (3) lattice size compatibility between MXenes and zinc metal allows zinc metal to nucleate and deposit evenly; (4) the abundant functional groups on the MXene surface may serve as zincophilic and nucleation sites to promote the homogeneous nucleation and deposition of zinc. The review also highlights the electrochemical deposition (for zinc foil) and physical mixing techniques for using MXenes as a host to encapsulate zinc (for zinc powder). Moreover, the discussion is directed to the use of MXenes as an electrolyte additive for AZIBs and as an inorganic filler for solid electrolytes to prevent dendrite formation and corrosion issues in zinc anodes. Finally, the challenges and prospects of using MXenes in AZIBs are presented.Key Words: MXenes; Aqueous zinc-ion battey; Cathode; Host; Interface protection;Electrolyte additiveMXenes在水系锌离子电池中的应用研究进展刘欢1,马宇1,曹斌1,朱奇珍2,徐斌2,*1西安科技大学,材料科学与工程学院,西安 7100542北京化工大学,有机无机复合材料国家重点实验室,材料电化学过程与技术北京市重点实验室,北京 100029摘要:水系锌离子电池(AZIBs)作为一种低成本、高安全的新兴且前景广阔的储能技术近年来备受关注。
几种石墨烯复合材料制备方法及催化应用介绍
石墨烯具有独特的热、电和光学性能,并以高的比表面积性能,使其非常适于用作复合材料的理想载体。
目前,石墨烯基复合材料广泛应用于传感器、新能源、光催化、电容器、生物材料等领域,特别是在在光催化和电催化领域,具有广阔应用前景。
下面小编介绍石墨烯复合材料在催化领域应用。
一、石墨烯/TiO2复合材料
1、石墨烯/TiO2复合材料光催化性能
石墨烯作为TiO2光催化材料的载体,不仅可以提高催化材料的比表面积和吸附性能,还能够抑制TiO2内部光生载流子的复合,降低了电子-空穴对的重组率,从而促进TiO2的光催化性能,提高其利用效率,因此制备TiO2/石墨烯复合材料可以进一步提高材料的光催化活性。
石墨烯/TiO2复合材料光催化机理示意图
2、石墨烯/TiO2复合材料制备方法
目前,石墨烯/TiO2复合材料的制备方法主要有溶胶-凝胶法和水热法等。
两种方法对于石墨烯的前体准备都是通过Hummers法得到氧化石墨烯,然后通过还原手段一步法得到还原氧化石墨烯/TiO2复合材料。
左图:石墨烯结构示意图;右图:氧化石墨烯结构示意图
(1)溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法通常是将钛的前体与氧化石墨烯溶液混合并搅拌均匀,氧化石墨烯通过氢键作用力与钛的前体结合并发生缩合、聚合反应最终形成具有Ti-O-Ti三维网络结构的凝胶,然后经过干燥、焙烧、研磨得到石墨烯。
黑科技石墨烯电池助你远离“里程焦虑症”石墨负极在充放电过程中的相变机正道汽车在今年上海车展展出H600车型,该车最大的亮点是采用微型涡轮发电机增程器+超级电池的动力组合,可以说是其最瞩目的焦点技术,其微型涡轮发电机增程器+超级电池的动力组合属于增程式电动汽车范畴,石墨烯超级电池储能密度高达每公斤300瓦时,石墨烯电池可持续充放电超过4万次。
油电相加综合续驶里程超过1000公里,0~100km/h加速时间仅2.9秒。
据悉,该石墨烯钛酸锂电池由正道汽车开发,可以实现10~15分钟快速充电,与传统新能源汽车相比,可以提升30%的效能,电池寿命长达10年左右。
在续驶里程成为当下新能源汽车鸡肋的情况下,正道汽车可以说是针对目前新能源车型充电、续驶里程问题,带来了一剂猛药。
但是,这些数值仅限于概念车部分,距离未来量产阶段还有很长一段时间,超级电池是否真正能达到1000公里以上的续驶里程,还需要通过实际体验来说话。
正道H600在之前的日内瓦车展上已经亮相,这次上海车展期间,正道汽车还带来了其他两款概念车型,分别是正道K550和正道K750。
从目前来看,石墨烯确实是比现在的技术要先进很多,但受制于成本和自身特性,现在是难以在各个领域取代传统锂电池的。
总的来说,石墨烯锂电池现在仍然是一个实验室产品,并且在实验室中其实已经有过纳米技术等一系列提高热稳定性和寿命的酷炫方法,石墨烯不过是其中之一而已。
石墨烯电池的未来会如何发展,还需要接受市场和用户的检验。
石墨负极在充放电过程中的相变机理研究现代锂离子电池是建立在石墨负极的基础上发展起来的,在充电的过程中Li+从正极晶格结构中脱出,经过电解液扩散到石墨负极的表面,然后嵌入到石墨结构中,X射线衍射、中子衍射等手段都显示,随着Li+嵌入到石墨结构中的数量增加,会形成LiC12化合物,Li浓度继续增加,最后形成LiC6化合物,整个过程分为很多步实现,目前的研究显示完成LiC6嵌入的过程可以分为4个阶段或者8个阶段。
第49卷第7期2021年7月硅酸盐学报Vol. 49,No. 7July,2021 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY DOI:10.14062/j.issn.0454-5648.20210161 水系锌离子电池及关键材料研究进展戴宇航,甘志伟,阮雨杉,安琴友,麦立强(武汉理工大学,材料复合新技术国家重点实验室,武汉 430070)摘要:水系锌离子电池作为一种新型二次离子电池,因其低成本、高安全、环境友好以及高功率密度等特点,在大规模储能等领域具有广阔的应用前景。
以本课题组在水系锌离子电池领域的研究成果为基础,结合国内外同行的最新研究工作,主要从正极材料、负极材料和电解液3个方面系统性地总结了水系锌离子电池的研究进展,凝练出当前该领域电池循环寿命短等瓶颈问题并提出了“单相反应机制”等解决思路,最后对高能量密度、高安全、长寿命水系锌离子电池未来的研究和发展方向进行了展望。
关键词:水系锌离子电池;正极材料;锌金属负极;电解液中图分类号:TB321 文献标志码:A 文章编号:0454–5648(2021)07–1323–14网络出版时间:2021-06-25Research Progress of Aqueous Zinc Ion Batteries and Their Key MaterialsDAI Yuhang, GAN Zhiwei, RUAN Yushan, AN Qinyou, MAI Liqiang(State Key Laboratory of Advanced Technology For Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology,Wuhan 430070, China)Abstract:As a new type of secondary ion battery, aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) showed a promising application prospect in the field of large-scale energy storage, due to their low cost, high safety, environmental friendliness and high-power density. In this article, the research progress of AZIBs will be summarized from three aspects, including cathode materials, anode materials and electrolytes. Furthermore, the bottlenecks such as the short cycle life of batteries in this research area will be identified, while the respective possible solutions such as “single-phase reaction mechanism” will be proposed. Finally, an outlook on future research and development directions for AZIBs with high energy density, high safety and long cycle life will be offered as a conclusion. Keywords: aqueous zinc-ion batteries; cathode materials; zinc metal anode; electrolyte随着人类社会的不断发展,能源供给的大幅度增加和环境污染的日益严重成为亟需解决的两大问题。
钒氧化合物 v2o3 正极材料水系锌离子电池一、前言水系锌离子电池是一种新型的可重复充放电的电池,具有高能量密度、低成本和环保等优点。
其中正极材料的选择对电池性能有着重要的影响。
本文将介绍一种钒氧化合物V2O3作为水系锌离子电池正极材料的研究进展。
二、钒氧化合物V2O31. 钒氧化合物V2O3的基本性质钒氧化合物V2O3是一种黑色晶体,属于单斜晶系。
它具有良好的导电性和可逆嵌锂性能,在锂离子电池中被广泛应用。
此外,V2O3还具有良好的嵌钠性能,在钠离子电池中也有应用。
2. 钒氧化合物V2O3作为水系锌离子电池正极材料的研究进展近年来,越来越多的研究表明,钒氧化合物V2O3也可以作为水系锌离子电池正极材料。
在水系锌离子电池中,Zn2+可以在阳极处发生氧化反应,放出电子并转化为Zn。
而在V2O3正极处,则可以发生还原反应,将电子吸收并嵌入晶格中。
这种反应过程可以通过下面的方程式表示:V2O3 + xZn2+ + xe- → V2O3-x(Zn2+)x其中,x表示嵌锌的数量。
研究表明,V2O3作为水系锌离子电池正极材料具有以下优点:(1)高比容量:V2O3的理论比容量为307mAh/g,在水系锌离子电池中可以实现较高的实际比容量。
(2)良好的循环性能:与其他正极材料相比,V2O3具有较好的循环性能,可以实现100次以上的循环充放电。
(3)低成本:相对于其他锂离子电池正极材料,如LiCoO2、LiFePO4等,V2O3的成本较低。
三、结论综上所述,钒氧化合物V2O3作为水系锌离子电池正极材料具有潜在的应用前景。
虽然目前还存在一些问题需要解决,如容量衰减和循环寿命等方面需要进一步研究,但是相信随着技术的不断发展和改进,V2O3将会成为一种重要的水系锌离子电池正极材料。
硅酸盐学报· 1130 ·2011年锂离子电池用高性能五氧化二钒耿明,赵宏滨,徐甲强(上海大学理学院,上海 200444 )摘要:在180℃水热条件下制备了钒氧化物,再通过煅烧前驱物VO2制备了微纳结构的五氧化二钒正极材料。
通过X射线衍射、扫描电子显微镜、红外光谱等对样品的形貌、组成等进行表征。
以合成的长方柱状V2O5作为锂离子电池的正极材料,测试了其充放电性能。
结果表明:合成的V2O5为均匀的长方柱状结构,尺寸介于微米、纳米尺寸之间,对材料的结构和充放电循环稳定性起到重要作用;电极的初始放电比容量为222.7mA·h/g,效率维持在98%;在电压为2.0~4.0V的范围内,经过40次循环,其放电比容量仍然维持在215.2mA·h/g。
关键词:五氧化二钒;微纳尺寸材料;锂离子电池;正极材料;循环稳定性中图分类号:TQ152 文献标志码:A 文章编号:0454–5648(2011)07–1130–05High Performance Vanadium Pentoxide for Lithium BatteryGENG Ming,ZHAO Hongbin,XU Jiaqiang(Department of Chemistry, College of Science, Shanghai University, Shanghai 200444)Abstract: Vanadium oxides were fabricated by a surfactant-assisted hydrothermal route at 180℃. Vanadium pentoxides were pre-pared by calcining the precursor VO2. The samples were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscope and infra-red spectroscope. The V2O5 with rectangle nanorods as the cathode material, was tested its charge/discharge performance. The results show V2O5 has uniform rectangle nanorods structure with micro-nano size beneficial to keep stable structure and good charge/discharge performance. The V2O5 nanorods exhibited a high initial discharge capacity of 222.7mA·h/g,high energy efficiency (98%) and 215.2mA·h/g capacity was kept after 40 cycles in the potential region 2.0–4.0V.Key words: vanadium pentoxide; micro-nano sized materials; lithium ion battery; cathode materials; cyclic stability锂离子电池具有较高的电压、比能量和无记忆效应等特点。
第35卷第1期2024年3月广西科技大学学报JOURNAL OF GUANGXI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.35No.1Mar.2024Sb 2S 3/石墨烯负极材料的制备及其储钠性能研究王旭1,杨观华*1,2,李翼宏1,张志国1,张杰1(1.广西科技大学机械与汽车工程学院,广西柳州545616;2.广西师范大学广西低碳能源材料重点实验室,广西桂林541004)摘要:钠离子电池(sodium-ion batteries,SIBs )具有成本低的潜在优势,有望成为替代锂离子电池(lithium ionbatteries,LIBs )的储能设备。
为提升钠离子电池的性能,开发出适应钠离子脱嵌的负极材料尤为重要。
硫化锑(Sb 2S 3)因其理论比容量高被认为是较好的钠离子电池负极材料。
本文使用简单水热法将Sb 2S 3与石墨烯复合,制备Sb 2S 3/石墨烯复合材料(Sb 2S 3/Gr )。
结果表明:Sb 2S 3/Gr 作为钠离子电池负极时,不仅表现出良好的电导率(3.5×10-3S/cm )和钠离子扩散速率(4.853×10-13cm 2/s ),而且在0.5A/g 的电流密度下,首圈库伦效率为76.27%,经150次循环后的比容量稳定在488mA·h/g ,表现出较高的比容量。
Sb 2S 3/Gr 复合材料表现出了极大的应用潜力,为高性能钠离子电池负极材料的研发提供了一定的参考价值。
关键词:钠离子电池;硫化锑(Sb 2S 3);石墨烯;负极材料中图分类号:TB33;TM912DOI :10.16375/45-1395/t.2024.01.0150引言随着全球化石燃料的过度消耗和环境污染问题的日趋严重,锂离子电池(lithium ion batteries,LIBs )作为储能型电池得到了快速发展[1]。
LIBs 作为一种成熟的电化学储能技术,因其能量密度高、使用寿命长和记忆效应小的特点,基本占据了日常生活中移动电子设备和电动车的主流市场。
1 三维V2O5/石墨烯的制备及其在镁离子二次电池正极材料的应用研究
随着镁离子二次电池的深入研究与应用,可充镁电池成为了一种非常具有潜力的可充新型电池,由于其具有高能量密度、低价格、安全的操作等方面的优点,使其越来越成为科学家们研究的热点,镁的理论比容量较大,因而将镁作为负极的可充镁电池能比铅酸电池和镍-镉电池系统高出很多的能量密度。三维V2O5/石墨烯纳米复合材料是很有前景的镁离子二次电池的正极材料之一。石墨烯特殊的单原子层结构决定了它具有优异的电子导电性、独特的机械强度和超大的比表面积。石墨烯这些非凡的性质使得它在新能源领域有了广泛的应用,有望取代其它的碳材料。然而,就当前阶段,一方面石墨烯的成本较高,另一方面石墨烯也存在着一定的结构缺陷。 本论文从原料经济廉价易得的角度出发,使用一种基于石墨烯的纳米复合物三维V2O5/石墨烯作为镁离子电池的正极材料进行研究。主要研究该复合材料的性质及对镁离子电池的电化学性能。通过水热法制备石墨烯及三维V2O5/石墨烯纳米复合材料,运用 SEM、TEM、XRD、Raman等手段对其进行表征分析。
公元左右,人们便开始有了对电池的初步认识,在1800年,意大利人伏打(Volt)发明了世界上第一套电源装置,并将其推广使用,从此电池开始发展。随着高新技术的发展和为了与坏境友好共处持续发展,对电池提出了更高的要求。随着人们生活水平的提高,以电池为能源的电动汽车将会慢慢取代部分燃料汽车,故而新型化学电源将会迎来一个春天。对于新型化学能源来说,应该具有较高的能量密度,这就要求使用高反应活性的电池组份。不久前,以色列科学家D.Aurbach等人【1】研制出了一种使用金属镁作为负极的小型充电电池。镁和锂处于周期表的对角线上,镁的离子半径、化学性质和锂有许多相似之处,而且镁的资源比较丰富,价格低廉,能量密度高且加工处理相对锂比较简单。可充镁电池原理跟锂电池相同,
1.1 课题背景 现在使用的二次电池主要有Ni-Cd、Pb酸、Ni-MH及Li离子蓄电池,其中Ni-Cd、Pb酸、Ni-MH这两种电池中含有有害元素Cd和Pb严重污染环境。Li离 2
子电池也是近年来的应用和研究热点,由于锂特别活泼,Li离子二次电池用于大容量储电时,将遇到安全问题,随着石油资源的日益枯竭,人们对新能源的开发越来越大力,使得对电动汽车的渴求也越来越大,迫切需要廉价、对环境无污染的并且大容量的二次电池的开发与应用。镁二次电池是有望应用于电动汽车的环保蓄电池,比锂离子电池具有更多优点。
1.2 锂离子电池综述 1.2.1锂离子电池的工作原理 锂离子电池的充放电原理(以石墨位负极、LiCoO2为正极为例)简示如图1-1。
图1-1 锂离子电池充放电原理图 电极反应如下: 正极:LiCoO2 Li1-xCoO2+xLi+xe- 负极:6C+xLi+xe- LixC6 3
总的反应:6C+LiCoO2 Li1-xCoO2+LixC6
在正极中(以 LiCoO2为例),Li和Co3各自位于立方紧密堆积氧层中交
替的八面体位置。充电的时候,Li会从八面体的位置发生脱嵌,释放出一个电子,Co3氧化成为Co4;放电的时候,锂离子会嵌入到八面体的位置,即得到一个电子,Co4还原成Co3。
1.2.2 锂离子电池的发展和特点 20世纪60、70年代发生的石油危机迫使人们去寻找新的能源。金属锂质量轻、质量能量密度大及氧化还原电位低等方面的优点,使得锂电池逐渐成为了替代能源之一。在20世纪70年代初实现了锂电池商品化【2】。 现在的锂离子电池的性能与刚诞生时相比,性能有了明显提高,目前具有以下特点: 能量密度高,UR18650型的体积容量和质量容量分别可超过620W.h/L和250W.h/kg,随着技术的不断发展,还在不断提高; 平均的输出电压高达3.6V左右,是Ni-Cd、Ni-MH电池的三倍; 有很高的输出功率; 自放电很小,每月在10%以下,不足Ni-Cd、Ni-MH的一半; 具有优越的循环性能,没有如Ni-Cd、Ni-MH那样的记忆效应,; 有很高的充电效率,第一次循环之后基本上仍为100%; 当然,现在的锂离子电池仍然有其不完美的地方: 成本高,重点是正极材料LiCoO2的价格高,在不断发展正极技术的情况下,
可以采用氧化锰锂为正极,大大较低锂离子电池的成本; 必须要有特殊的保护电路,以防止过充电。
1.2.3 锂离子电池正极材料的研究现状 1990年索尼公司推出以氧化钴锂作为正极的锂离子电池,使得便携式化学电源得到了很好的发展,可以说是电池革命史上的一次伟大创新。此后,科学家们陆续研发出以LiNiO2、LiMnO2、LiV2O8作为正极的锂离子电池,但是这些锂离子电池都有各自的缺点。近来,过渡金属钒氧化物成为了科学家研究的热点。
1.3 镁离子电池综述 1.3.1 镁离子电池的研究背景 可充镁电池的研究还处于初步阶段,有望取代传统电池,成为电动汽车及其他电商的新宠。 4
镁(Mg)是元素周期表中第12号元素,第ⅡA主族碱金属元素,原子质量为24.3050(6)化合价是+2,具有密堆六方晶体结构。现已发现镁的同位素有13种,但是只有镁24、镁25、镁26是稳定的,相对出现率是77%、11.5%、11.1%,其它镁的同位素都带有放射性。镁的电子排布式是1s2,2s2,2p6,3s2。 金属镁和锂处于周期表的对角线上,因此具有相似的化学性质,二者性质比较如表1-1。
表1-1 负极材料镁和锂的性质比较
由表1-1中二者的一些参数对比可见 ,锂离子的和镁离子的半径分别为68nm和62nm,在大小上是相当的,因而以镁离子取代锂离子来嵌入化合物中是有可能的;而且金属镁较金属锂稳定,加工处理比较方便,从而安全问题较小;地球镁资源比较丰富且环境友好。 就电池应用来说,Li/Li电对的氧化还原电势比Mg/Mg2电对的低1V,虽然锂的充电容量比镁高【3】,但倘若制备一些正极材料,以金属镁为负极构成镁离子电池。那镁离子电池的能量密度预计大于100Wh/g,这是铅酸电池或Ni-Cd电池系统的2倍多,并且与锂离子电池相比,其具有的优势是锂离子电池所不能比的,它具有安全性高,价格便宜,废弃物易于处理,因而镁离子电池拥有广阔的研究、发展前景。 虽然在镁离子电池的研究方面还处于初步阶段,对于正负极材料的合成及电化学性能的研究都不太成熟和完善,相关文献报道少,国内报道少之又少。
1.3.2 镁离子电池工作原理 镁离子电池的工作原理与锂离子电池的工作原理相似,发展中的镁离子电池亦可称为“摇椅电池”。原理图如图1-2所示。 5
图1-2 镁离子电池原理图 它分别用两个能可逆地嵌入和脱嵌镁离子的化合物作为电池的正、负极构成电池体系,主要依靠镁离子在正负极之间来回移动进行工作。在充放电的过程中,镁离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌,充电时,镁离子从正极脱嵌,经过电解质溶液嵌入负极,负极处于嵌镁状态;放电时则相反。 对于正极材料应选择嵌入/脱嵌镁离子电位正、导电性能好、比能量高且含有可逆嵌入/脱嵌镁离子空间孔隙结构的材料。负极材料应该具有嵌入/脱嵌镁离子电位低的特性,其它方面应该与正极材料相同。
1.3.3 镁离子电池的构成 我们在研究化学电源的基本特性时,主要分析讨论正负极材料和电解液。
1.3.3.1 负极材料 镁离子电池的负极主要是金属材料镁,金属镁和金属锂相似,易与同极性质子溶剂、常用的盐的阴离子[ClO4,AsF6,PF6]以及不可避免存在大气杂质(如水、氧气、氮气)反应,形成钝化层覆盖在金属表面。锂的这种覆盖层会降低锂的电化学活性,但其覆盖层疏松有利于锂离子通过,从而易于锂的稳定,不影响其电化学活性。但是镁的覆盖层是致密的,镁离子不易通过该覆盖层,使得金属镁很困难的在有机电解液中进行可逆溶解和沉积过程。 为了解决镁沉积和溶解问题,科学工作者做了许多工作。D.Aurbach等人研究了镁在格氏试剂中的沉积和溶解,取得一定的突破。在过去的几年里, 6
D.Aurbach和Z.Lu等人系统的研究了镁电极在非水电解液中的电化学性能【4】。基于这些研究提出以镁的环铝酸盐的醚溶液作为电解液,结果证明是行的通【1】。 锂离子在石墨中的嵌入/脱嵌反应使得锂离子电池的商业化【5~6】,但关于镁嵌入碳中的报道很少。Novák【7】曾做过实验:在1mol/L Mg(ClO4)2/乙腈中(无水或含有1mol/L水)把镁嵌入到Timrex KS-6石墨中,但是观察到的结果只是一个不可逆的过程。Maeda【8】等人以及Meada和Tozain【9】描述了在MgCl2/二甲亚砜中镁可逆地电化学嵌入到高度结晶化的热解碳中,但同时也观察到溶剂分子共嵌入到了石墨中。 Mg2(solv)y + 2e-+Cn Mg(solv)yCn
1.3.3.2 正极材料 目前,被选作二次可充电池的插入/脱嵌正极材料【10】有很多种,其中大部分是基于Li和碱金属离子的插入反应进行的研究工作。对于镁离子来说,可作为其正极可插入的材料有无极过渡金属氧化物、硼化物、硫化物及其他化合物。图1-4是比较不同材料作为正极时的实验电位范围。
图1-3 Li 和Mg2 嵌入到各种材料中的典型电位区间
从图1-3分析得出,镁的嵌入电位区间与锂的嵌入电位区间差不多。 实际上,从热力学和动力学的角度分析,只有当嵌入到V2O5气凝胶中,镁的嵌入电位才会比锂的嵌入电位正出200-300mV。嵌入到以硫基作为电极材料中