基于弱配位环境的晶态锌离子固态电解质

二次锌电池是一类低成本、环保和高安全的规模储能技术,但是一直以来锌金属负极与传统水系电解液兼容性不足以及严重的枝晶生长问题限制了电池能量密度和寿命。发展固态二次锌电池是根本解决上述瓶颈问题的有效路线之一,但是,二价锌离子电荷密度高,其在无机陶瓷电解质和聚合物电解质中的室温固相传导极为困难。本工作以具有层状晶体结构的三氟甲基磺酸锌[Zn(TFO)_(2)]作为离子盐主体骨架,通过引入“软碱”的双齿弱配位配体——丁二腈(SN)重塑锌离子的固相配位环境,发展了一类晶态配位化合物的锌离子固态电解质[Zn(TFO)_(2)(SN)_(n)]。得益于氰基官能团(—CN)与三氟甲基磺酸阴离子(TFO^(-))的共配位结构,阴离子骨架对锌离子的静电束缚得到了显著降低,锌离子室温固态离子电导率实现了3个数量级的提升[由Zn(TFO)_(2)的1.1×10^(-9)S/cm提升至1.8×10^(-6)S/cm]。基于该类固态电解质,Zn||Zn对称电池可实现低极化电压(0.08 V,0.05 mA/cm^(2))的长周期锌沉积/溶解循环,并且实现了全固态锌空气电池在室温下的可逆充放电。

核桃青皮改性活性炭对锌离子的吸附研究

陇南市拥有大量的锌矿和锌冶炼厂,并且拥有大量的核桃青皮资源,基于活性炭对锌离子的吸附作用,本文在不同温度下对核桃青皮进行了炭化,并利用NaCl、HCl和NaOH进行改性,然后考察了不同条件下改性核桃青皮活性炭对含锌废水中锌离子的吸附作用。分析结果表明,500℃条件下炭化的核桃青皮具有最好的吸附性能,记为WP-500;NaOH对WP-500改性效果较好,对锌离子的吸附性能最强,改性后的活性炭记为WP3-500;在WP3-500用量4 g/L、温度30℃、时间30 min的条件下,WP3-500对锌离子的去除率为81.11%,吸附量为10.14 mg/g;动力学分析表明,准一级动力学模型可以描述WP3-500对锌离子的吸附行为,其主要受物理吸附控制;相较于玉米秸秆、花生壳和稻壳等废弃生物炭化制备吸附剂,利用核桃青皮制备活性炭的方法更简单、成本更低,而且对锌离子的去除效果更好。本研究为核桃青皮的资源化利用及废水中锌离子的去除提供了新思路。

氮掺杂碳纳米线负载MnO纳米粒子作为水系锌离子电池正极的性能研究

水系锌离子电池(AZIBs)因锌的氧化还原电位低、能量密度高而有巨大的应用前景,其中储存Zn^(2+)的宿主正极决定了电池的放电性能和循环稳定性。以含有3个羧基的次氮基三乙酸(Nitrilotriacetic acid,NTA)为配体,通过简单的调整Mn^(2+):NTA的比例,制备了3种一维纳米线结构聚合物,并经煅烧处理中得到了3种氮掺杂碳纳米线负载不同粒径MnO材料MnO/NC-x。其中Mn^(2+)∶NTA比例为0.5时制备的MnO/NC-0.5中MnO粒径最小,且均匀的分散于纳米线表面。该材料作为AZIBs正极展现了卓越的离子扩散性和导电性等动力学特征。在2 A/g的高电流密度下该材料显示出158 mAh/g的倍率性能,并在1 A/g的条件下经历1000个循环后仍有96%的容量保持率,表现出卓越的循环稳定性。

石墨涂层改性锌负极及其在锌离子混合超级电容器中的应用

该文将石墨涂覆于锌片上,运用恒电流充放电、循环伏安(CV)以及电化学阻抗谱(EIS)等表征方法,研究了涂层对锌电极的改善效果。研究结果显示,经过石墨修饰的锌电极的循环伏安扫描曲线具有良好的矩形特性,石墨/锌复合电极全电池的比容量为102.8 mAh/g,经过173次循环后,比容量保留率为97.66%。该综合实验操作工艺稳定,实验结果具有良好的再现性,涵盖的知识点丰富,能够使学生在了解储能器件技术发展趋势的基础上培养科研创新能力和综合实践能力。

含氧空位的氟掺杂二氧化锰助力稳定锌离子电池

将无机盐NH_(4)F加入到Mn O_(2)的前驱体溶液中,通过高效、简单的一步水热法制备了具有氧缺陷的F掺杂α-Mn O_(2)纳米棒(记为F-Mn O_(2))。氧空位和F掺杂对提高F-Mn O_(2)的导电性、促进离子扩散、提高倍率性能起着至关重要的作用。另外,由于F掺杂,形成了F—Mn键,这可以有效地抑制放电产物中Mn^(3+)的Jahn-Teller畸变,从而提高结构的稳定性。得益于这些协同效应,组装的Zn||F-Mn O_(2)全电池在0.5 A·g^(-1)下,首圈放电比容量高达274 m Ah·g^(-1),且具有较长的循环寿命和优异的倍率性能。同时,通过循环伏安(CV)和恒流充放电(GCD)曲线证明了F-Mn O_(2)的储能机制为H^(+)和Zn^(2+)的共嵌入/脱出过程。

草酸浓度调控对水系锌离子电池正极材料NH_(4)V_(4)O_(10)合成的优化

采用一步水热法,调整不同的草酸含量制备了NH_(4)V_(4)O_(10)(NVO)样品,并研究其作为水系锌离子电池正极材料的电化学性能.实验发现:草酸的浓度在决定样品组成上起到了关键性作用.当浓度较低时,得到NVO和(NH_(4))_(2)V_(4)O_(9)的混合相;草酸浓度过高则会导致VO_(2)的生成.当偏钒酸铵与草酸的摩尔比保持在1∶1时,成功合成了纯相NVO.电化学测试结果表明:纯相NVO在0.2 A·g^(-1)的电流密度下,比容量达到了479.3 mAh·g^(-1),性能显著优于其它样品.此外,该材料在0.1 mV·s^(-1)的扫描速率下,赝电容贡献率高达82.48%.

枣树枝改性生物炭对水溶液中锌离子的吸附性能研究

通过水热碳化枣树枝生成水热炭,以氯化锌为活化剂对水热炭进行活化,得到枣树枝改性生物炭,所得生物炭表面具有丰富的孔结构及高度芳香化结构。以枣树枝改性生物炭为吸附剂吸附溶液中Zn^(2+),在吸附时间80 min、溶液pH=9、改性生物炭投加量700 mg/L、反应温度55℃、Zn^(2+)初始浓度30 mg/L条件下,Zn^(2+)去除率达到99%以上;吸附过程与Freundlich吸附模型拟合度高,表明改性生物炭对Zn^(2+)的吸附过程为多层分子吸附;改性生物炭经5次循环吸附与解吸后,对Zn^(2+)去除率仍在97%以上。

水系锌离子电池宽温域性能的电解质改性策略研究进展

在资源短缺、能源需求倍增的当今世界,水系锌离子电池(AZIBs)作为一种大规模储能技术以其具有高安全性、低成本、高容量和快速充放电等优势脱颖而出。随着对能源多元化应用场景的增加,AZIBs被开发并应用于多种极端环境。然而,电池中的自由水分子会引发一系列的不良反应,导致电池出现容量下降和寿命缩短的问题。在低温条件下,溶剂水的冻结会引起AZIBs的离子电导率降低、电荷转移阻抗增加,导致电池速率性能下降。在高温条件下,溶剂水的快速蒸发会产生气泡和气体膨胀,水诱导的副反应加剧,同时电极材料也会出现腐蚀和溶解,从而影响电池寿命。针对这些挑战,在这篇综述中,分别总结了针对水系锌离子电池在高温与低温下的研究进展,提出了适用于低温、高温以及同时适用于高低温的电解质策略,重点研究了高浓度电解质、凝胶电解质、电解质添加剂和共晶电解质降低电解质凝固点、提高低温电化学性能的机理,并对进一步提高水系锌离子电池的宽温域性能和工业应用进行了展望。

锌离子路易斯酸熔盐体系从粗四氯化锆中除铝机制研究

为了降低传统沸腾氯化法制备的粗ZrCl_(4)中Al杂质含量,达到高品质锆前驱体的精度要求,开发了适合粗ZrCl_(4)高效除Al的锌离子路易斯酸熔盐体系,使其中的杂质Al含量由0.16%降低至0.001%。同时,根据路易斯酸熔盐体系与粗ZrCl_(4)中Al^(3+)的反应,通过基于密度泛函理论的CASTEP模块对Al^(3+)在复盐中的结合量和结合能进行分析,进而确立粗ZrCl_(4)除Al机制。Al^(3+)结合量的降低和结合能的升高有助于Al^(3+)从复盐中脱离,从而降低粗ZrCl_(4)中Al含量。通过实验与理论计算验证了锌离子路易斯酸熔盐体系能够从粗ZrCl_(4)中有效除Al。本研究可为制备高品质核级锆提供新思路和理论基础。

锰基正极材料在水系锌离子电池中的挑战及性能提升策略

锌离子电池(ZIBs)由于其安全性、可持续性、成本效益和高能量密度而越来越受欢迎,有望成为锂离子电池(LIBs)的替代品。目前对锌离子电池已经进行了广泛的研究。然而,锰基正极材料在锌离子电池中的应用带来了挑战,特别是金属溶解和材料不稳定性等问题。这些挑战导致电池循环稳定性较差,阻碍了锌离子电池发展的进程。本文概述了锌离子存储机制,阐明了锰基正极材料面临的挑战,并提出了改善其性能的优化策略。最后,讨论了锰基正极材料的潜力。

氮杂环咪唑离子液体用于水系锌离子电池负极无枝晶保护

根据可持续发展的需要以及更好地去实现碳达峰、碳中和,水系锌离子电池由于其安全可靠、成本低及离子电导率高等特点逐渐进入人们的视线。相比于传统的锂离子电池,可充电的水系锌离子电池具有很高的安全稳定性,同时,锌金属资源丰富、理论容量(820 mA·h/g)高、氧化还原电位(-0.762 V(vs.SHE))低,这也缓解了金属锂的资源压力。但是,电解质中的活性水会严重腐蚀锌负极,发生析氢反应(HER),并产生羟基硫酸锌(ZHS)等副产物以及引起枝晶生长,从而使电池循环性能大大降低,达不到储能要求。结果表明,通过离子液体添加剂优化水系锌离子电解液,实现了循环过程中无枝晶的锌负极,其中氯化1-氰丁基-3-甲基咪唑(MCBI)添加剂在最佳添加浓度条件下,Zn//Cu半电池200圈库伦效率可达99.37%,Zn//Zn对称电池在小电流密度下可稳定循环1600 h以上,即使在10 mA/cm^(2)、5 mA·h/cm^(2)下也能稳定循环1000 h以上;全电池循环500次后依旧有88.5%的高容量保持率。这项工作解决了水系锌离子电池枝晶问题,并在优化电解质体系方面提供了一个全新的视角。

水系锌离子电池负极改性策略研究进展

水系锌离子电池因其安全性高、离子导电率高、理论比容量高、成本低廉等优点,成为一类颇有前景的规模化储能材料。然而,锌负极在充放电过程中难以避免会出现枝晶生长和析氢腐蚀等棘手问题,严重制约了水系锌离子电池的循环寿命与实际应用的推广。本文首先分析了上述关键问题的成因和基本机制,系统阐述了目前锌负极的改性策略的4个方向,包括:负极材料构筑、涂层表面钝化、隔膜改性、电解液优化,重点论述了4类改性策略的设计要点与改性原理,并对锌负极的发展趋势进行了展望,为推动高性能水系锌离子电池发展提供参考。

水系锌离子电池锰基正极材料研究进展

可充电水系锌离子电池由于低成本和高安全性,被认为是储能设备的理想候选者。近年来,锰基正极材料由于低成本、低毒性、高工作电压、价态丰富和晶体结构多变等特点,得到广泛研究。锰基材料在循环过程中因结构坍塌引起的容量衰减,阻碍了水系锌离子电池的进一步发展。综述锰基正极材料的研究进展,包括各种锰基氧化物(MnO_(2)、Mn_(2)O_(3)、Mn_(3)O_(4)和MnO等)及其储锌机理。归纳提高锰基正极材料电化学性能的优化策略,并展望锰基正极材料未来的发展。

VO_(2)·xH_(2)O纳米棒用于水系锌离子电池正极材料

具有优异电化性能、环境友好和低成本的水性锌离子电池(AZIBs)已经成为有前途的储能器件。然而,缓慢的传输动力学和不稳定的主体结构是高性能AZIBs先进正极材料开发的主要障碍。在此,利用四甲酰基苯硼酸与五氧化二钒之间的反应作用,通过简单的一步水热反应制备出含有氧缺陷的水合二化钒(VO_(2)·xH_(2)O)纳米棒。采用XRD、Raman、FTIR、SEM、XPS表征了VO_(2)·xH_(2)O的形貌和结构。VO_(2)·xH_(2)O纳米棒用作AZIBs的正极材料展现了优异的储锌性能,主要归因于材料的高效传输动力学和丰富的反应位点。在0.5/5.0 A·g^(-1)电流密度下可提供314/199 mAh·g^(-1)的高放电比容量。本论文提供了一种简单合成高性能AZIBs正极材料的方法,也为其他新型正极材料的设计提供了科学指导。

水系锌离子电池负极添加剂研究进展

水系锌离子电池(AZIBs)因具有较高的理论容量、较低的氧化还原电位、良好的安全性和低成本等优点,在便携式电子设备、储能器件和新能源汽车等领域有广泛的应用市场和前景。在AZIBs体系中,通过电解液中添加剂的优化可达到改善锌负极稳定性,减少负极枝晶生长和抑制析氢副反应发生等。因此,有必要系统地总结添加剂研究进展:对电解液添加剂对Zn^(2+)的沉积行为影响机制进行了总结;基于锌负极所存在的问题,详细综述了近年来关于不同种类的单一添加剂在稳定锌负极方面的改性机制;对复合添加剂的研究情况进行了综述;针对添加剂发展方向和前景提出一些思考和研究策略。

淀粉电解质添加剂在水系锌离子电池中的应用

为了提升ZnSO_(4)电解液的电化学稳定性,将淀粉作为一种添加剂对其进行改性。实验结果表明,相比于ZnSO_(4)电解液,改性后的淀粉-ZnSO_(4)电解液具有更高的析氢过电位、更宽的电化学稳定窗口。将淀粉-ZnSO4电解液应用到水系锌离子电池中,有效抑制了锌枝晶和副产物的生成,并降低了电池自放电程度,表现出更优异的循环稳定性和倍率性能,在1 A·g^(-1)电流密度下循环800圈之后放电比容量保持率为81.36%,远大于ZnSO_(4)电解液体系(57.89%)。将这种电解液应用到柔性电池中同样展示出了优异的性能,具有良好的长循环寿命,在0.5 A·g^(-1)电流密度下循环800圈之后的放电比容量保持率高达92.4%。此外,该柔性电池还具有良好的抗弯形变能力,在弯曲30°、60°和90°之后仍然能够保持82.34%的放电比容量。

锌离子电池电极材料制备方法用于电化学实验改革研究

在新能源背景下,本文从应用化学专业实验实践教学出发,通过大量的文献调研,引导学生设计具有前沿性和创新性的实验,以专业实验课程教学大纲为引导,为我校大三级应用化学专业本科生开展专业实验实践教学设计,通过分析学生课后成绩、课程反馈评价结果及大四级本科毕业设计效果等反馈教学改革成效.基于此,本实验教学采用了溶剂热法制备二氧化钒/碳布(VO_(2)/CC)复合材料,通过对材料的形貌、结构、电化学性能等数据的分析和讨论,帮助学生掌握新能源电池关键材料及器件的制备方法.在培养学生实验技能的同时,引导他们将理论与实践结合及提升解决实际问题的能力.

椰壳碳@MnO_(2)纳米材料在水系锌离子电池中的应用

为解决MnO_(2)材料在水系锌离子电池(ZIBs)中存在的导电性差、材料利用率低等问题,以农业废弃物椰壳为原料,将低成本、来源丰富、绿色可再生的生物质资源引入到电极材料中,通过高温碳化得到导电性优异的椰壳碳,用水热法在椰壳碳表面生长MnO_(2)纳米粒子,获得椰壳碳@MnO_(2)复合纳米材料。借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电化学技术等表征测试手段,分析该复合材料的形貌结构以及电化学性能。结果表明椰壳碳@MnO_(2)在100 mA g^(-1)的电流密度下,经过300次循环,比容量仍高达到344.6 mA h g^(-1),性能远高于商用MnO_(2)材料(64.3 mA h g^(-1));椰壳碳@MnO_(2)优异的导电性,纳米化的结构设计提高了材料利用率,减少了离子扩散路径,带来更快的离子扩散速率,提高了材料的倍率性能,具有良好的应用前景。

片层纤维V_(2)O_(5)·1.6H_(2)O干凝胶提升水系锌离子电池循环性能

水系锌离子电池凭借低成本和环境友好的特点具有极大的发展和应用前景.具有高比表面、分层、或快速离子导体结构的钒基材料是锌离子电池最具有前景的正极材料之一.如何改善钒基材料的长循环性能是亟待解决的问题之一.本文采用溶胶凝胶法并冷冻干燥成功制备了V_(2)O_(5)·1.6H_(2)O干凝胶,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜对其物相和形貌进行了表征,发现制备的材料为V_(2)O_(5)·1.6H_(2)O,结晶相良好,且成片状纤维大孔结构.电化学测试表明,在0.1 A·g^(–1)电流密度下,首次放电比容量为388.4 mA·h·g^(–1),循环1000次后容量仍保持为129.7 mA·h·g^(–1),具有良好的长循环稳定性.在0.1、0.2、0.5、1、2和3 A·g^(-1)电流密度下,纤维状V2O5干凝胶表现出良好的倍率性能,放电比容量分别为388.4、338.5、282.9、239.1、194.4和165.9 mA·h·g^(–1),远高于商业化V2O5 (279.5、251.0、205.5、174.5、144.6和125.1 mA·h·g^(–1)).良好的电化学性能主要归功于结合水的支撑作用增大了层间距,在循环过程中材料具有良好的结构稳定性,避免了放电容量衰减;同时纤维片状结构缩短了锌离子的迁移路径.对充放电机理研究发现,在锌离子的嵌入脱出过程中伴随有碱式硫酸锌的生成与消失,且该过程可逆.

锌离子电池用锰/钒基氧化物异质结构正极的研究进展

水系锌离子电池(AZIBs)由于其理论比容量高、安全性高、成本低、制造工艺简单和环境友好等特性在电化学储能领域展现出巨大应用潜力。锰/钒基氧化物因其价态丰富、结构优异、比容量高等优点成为最具潜力的锌离子电池正极材料。然而,它们的本征导电性差、锌离子扩散动力学缓慢、电化学过程中的溶解和结构塌陷等限制了其进一步发展和实际应用。缓解上述问题的一种有效方法是将锰/钒基氧化物与不同功能性的组分结合构筑异质结构。原因在于,获得的异质结构能够借助各组分的特点和具有显著物化特性的异质界面,实现多功能性和协同效应,从而实现高效的储锌性能。基于此,本综述总结了锰/钒基氧化物正极材料面临的主要挑战,重点介绍了近年来已报道锰/钒基氧化物异质结构的类型、特点、制备方法及储锌性能增强机制等。最后,本文对水系锌离子电池用异质结构正极材料未来的发展进行了展望,以期为高性能锌离子电池电极材料的开发提供新的思路。