二维VOPO4纳米片在水系锌离子电池中的研究开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

伴随着煤炭石油等不可再生的化石能源的枯竭,以及温室效应、酸雨雾霾的环境问题日益严峻,对太阳能、风能、潮汐能等可再生能源的开发利用已经成为全球性的发展趋势。能源与环境已经成为不可避免的两大问题[1]。因此,寻找兼顾安全与成本低廉的储能材料变得最为迫切。目前,虽然锂离子电池在小型便携性电子设备得到广泛商业应用,更为先进的水系锂离子电池也正在研发,但是水系锂离子电池质子在电解液中能够稳定存在的电位窗口较窄[2],且电极材料在水中易溶解, 金属锂的资源有限,提纯价格高昂,安全可靠性低,这些限制了水系锂离子电池的进一步发展[3]。近年来,发展安全可靠性高、成本低廉、来源广泛的锌离子二次电池渐渐成了人们研究的热点[4]

虽然水性锌离子电池的能量密度低于水性锂离子电池,但是水系锌离子电池由于其低廉的价格、高安全可靠性、制备难度低和循环稳定性高等诸多优点,在大规模电网、大型工业设备中有着广阔的应用前景[5]

锌离子电池的负极材料是锌金属,其理论容量最高可达819mAh·g#8722;1,锌也是使用最早、最广泛的一种负极材料。锌金属的自然资源丰富;毒性、导电性好;平衡电位低、氢过电位高;在水中的稳定性好, 能量密度高。目前,广泛采用的锌负极材料主要有以下三种:纯锌片电极、粉末多孔锌电极和锌镍合金电极。

锌离子电池的电解液使用的多为水性的ZnSO4[6]、Zn(NO3)2[7]、Zn (ClO4) 2[8]等水溶液,其电导率可达到1S·cm-1;而锂离子电池普遍采用的是非水性电解液,其电导率只有1-10mS·cm-1,因而水系锌离子电池通常具有更高的功率密度,也有着更高的倍率性能,且易制取和成本低,更适合于大型电网等工业应用中。

与一价离子相比, 大多数多价离子嵌入正极材料的晶体结构中需要的结合能比一价离子更低, 因此能够进行快速充电。目前,报道的锌离子电池正极材料主要有二氧化锰(α-MnO2、γ-MnO2、钡镁锰矿型MnO2)、金属铁氰化物(普鲁士蓝衍生物,如KMFe(CN)6)、谢弗雷尔相(Chevrel phase)的Mo6S8和五氧化二钒(V2O5)等。其中钒氧化物是一种层状结构的金属氧化物,近年来已成为二次电池的研究热点之一,尤其是以钒氧化物制备的锌离子二次电池正极材料。

同时,受益于有效和简单的离子插入/去除化学,二维层状材料已被广泛研究用于多价离子电池。例如,层状TiS2提供115mAhg-1的可逆Mg储存容量。C / 10(12mAg-1)和60°C。

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