柔性锰基氧化物锌离子电池正极材料的制备和性能研究开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着移动互联网的快速发展和人类需求的不断提高,可穿戴电子设备、可植入医疗器件、柔性显示屏、智能衣物等柔性科技产品逐渐进入人们的日常生活,这些柔性科技产品的出现改变了人类对于电子产品的刚性观念。相对于柔性电子元器件、柔性显示屏等技术的发展,柔性储能器件的发展较为缓慢,因此开发出高能量密度、稳定性好、安全性能优异的柔性储能器件是当前许多国家的发展战略。储能器件按照原理可以分为超级电容器和电池两大类,两者各有优点,超级电容器具有高功率密度、循环性能稳定等优点,电池相对于超级电容器具有更高的能量密度,因此在储能领域应用更为广泛。锂离子电池以其高能量密度、循环性能较好等优点,在当前电池应用最为广泛;但是,其安全性能、锂资源的有限等问题制约锂离子电池的未来发展。锌离子电池相较于锂离子电池具有更高的能量密度、锌资源丰富、安全性能好等优点,成为了最近的研究热点。综上所述,研究锌离子电池具有重要意义。

锌离子电池的工作原理与其他金属离子电池相似,主要是锌离子充放电过程中,在正负极之间移动,因此也属于一种“摇椅电池”。锌离子电池作为一种新型的二次水系电池,电解液主要为znso4水溶液;正极材料有锰基氧化物、钒基氧化物、金属铁氰化物等三类;负极材料主要为锌片或者锌粉。

在正极材料中,二氧化锰具有资源丰富、理论容量高、无毒性、具有可变价态等优点,使得二氧化锰成为了锌离子电池材料的研究热点。二氧化锰主要由[mno6]八面体按照顶点或者棱边互相连接构成,不仅具有多种物相,而且还易于合成为多种形貌的纳米材料;按照物相可以分为α、β、γ、δ、λ等物相,其中α-mno2具有(2x2)的隧道结构,有利于金属离子脱嵌,比如li 、na 、k 、mg2 、zn2 等。二氧化锰在锌离子电池应用中同样有其缺点,比如导电性差、易溶解、充放电循环过程中容易发生不可逆的晶型转变等,这些缺点导致电池的循环性能不稳定、实际容量与理论容量相差较大等问题。针对上述问题,本论文通过改变合成条件,获得了不同形貌、不同载量的二氧化锰材料,探索它们对于循环性能、容量的影响,进而设计出高性能的锌离子电池。为了实现组装柔性器件的目的,本论文选用碳布作为基底材料,通过水热法在其上生长二氧化锰作为正极材料,负极采用电镀法在碳布上沉积锌作为负极材料,最后组装成柔性器件测试,评估其实际应用前景。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备:以碳布作为基底,将碳布浸泡在kmno4、h2so4溶液中一段时间,再加热板在碳布上生长一层籽晶种,随后将长有籽晶层的碳布直接水热,改变水热时间或水热温度,获得不同形貌、不同载量的cc-mno2

材料表征:对cc@mno2材料进行结构表征和电化学性能测试,通过xrd、n2吸/脱附、tem、sem等表征手段对其形貌结构及元素构成进行了分析,并采用循环伏安(cv)、恒流充放电(et)等电化学测试技术对其电化学性能进行了系统评估,最后组装成柔性电池器件测试。

3. 研究计划与安排

第1-4周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究方法、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第5-7周:按照设计方案,制备cc@mno2、cc@zn纳米片材料。

第8-12周:采用xrd、sem、tem、bet、cv、eis等测试技术对材料的物相、显微结构、比表面积、电化学性能进行测试。

4. 参考文献(12篇以上)

[1] 陈丽能, 晏梦雨, 梅志文,等. 水系锌离子电池的研究进展[j]. 无机材料学报, 2017,32(3):225-234.

[2] shen c, li x, li n, etal. graphene-boosted high-performance aqueous zn-ion battery.[j]. acs appliedmaterials amp; interfaces, 2018,10(30),25446-25453.

[3] 魏春光. 二氧化锰的隧道调控和电化学离子存储性能研究[d].清华大学,2013.

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