發(fā)布時(shí)間：2020-04-01 22:05

【摘要】：智能電網(wǎng)、家庭備用電源等大規(guī)模應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)需具備安全性高,成本低和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。由于價(jià)格低廉、安全性較高,水系電池是值得發(fā)展的一種二次電池。傳統(tǒng)的水系電池中鉛酸電池占有大量市場(chǎng)份額,其能量密度一般為30 Wh/kg,電池含有大量有害的Pb重金屬,電解液使用硫酸,大規(guī)模應(yīng)用會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái),要發(fā)展環(huán)境友好的、能量密度不低于鉛酸電池的、長(zhǎng)壽命水系電池。1、對(duì)于水系電池,通常的鈉離子電池材料為Na0.44Mn02,比容量為45 mAh g-1。我們通過(guò)固相反應(yīng)合成NaMn02,CV掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn)該材料既具有贗電容性能又有部分脫嵌鈉離子性能,因此能夠在1 C的倍率下表現(xiàn)出65 mAh g-1的高比容量。通過(guò)和磷酸鈦鈉負(fù)極材料進(jìn)行匹配組裝全電池,在50 W/kg的功率密度下能夠發(fā)揮出30 Wh/kg的能量。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)電解液對(duì)電池性能影響很大。使用1 M Na2S04作為電解液,電池在500次循環(huán)后容量衰減為首次容量的25%。通過(guò)ICP-AES元素分析和XRD粉末衍射分析發(fā)現(xiàn),1 M Na2S04作為電解液,正極材料在循環(huán)過(guò)程中發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)坍塌并且錳元素溶解嚴(yán)重。使用2 M CH3COONa作為電解液,電池在500次循環(huán)后仍然能夠保持首次容量的 75%。2、水系電解液本身窄的電化學(xué)穩(wěn)定窗口(1.2V)導(dǎo)致了水系電池工作電壓和能量密度低。通過(guò)向電解液中添加十二烷基硫酸鈉(SDS),改變了電解液電極界面結(jié)構(gòu),使得電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口拓寬到2.2 V。DFT理論計(jì)算表明,SDS分子親水端吸附在電極表面,疏水端伸向電解液中在電極和電解液表面形成一層單分子吸附層,該吸附層可以有效抑制了析氫(析氧)反應(yīng)。采用鋅片作為負(fù)極材料Na2MnFe(CN)6納米材料作為正極材料組裝全電池能夠輸出170 Wh/kg的能量。采用高濃度電解液降低水的活度能夠提高水的分解活化能,電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口進(jìn)一步拓寬到3.2 V,首次采用TiS2作為負(fù)極材料并展現(xiàn)出140 mAh g-1的高比容量,全電池能量密度高達(dá)100 Wh kg-1。3、我們宏量的合成了磷酸鈦鈉負(fù)極材料,該材料的比容量達(dá)到130 mAh g-1,顆粒尺寸均一、壓實(shí)密度高。采用錳酸鋰作為正極材料,組裝了 4Ah大容量電池,電池的能量密度達(dá)40 Wh kg-1高于鉛酸電池的能量密度(30 Wh kg-1)。并且在100%深度充放電循環(huán)1500次后容量保留率為75%循環(huán)壽命優(yōu)于鉛酸電池(300次左右)。該電池成本在1.0元左右,較高的能量密度和相對(duì)低廉的價(jià)格,使得該電池基本具備了取代鉛酸電池并商業(yè)化應(yīng)用的可能。
【圖文】：

１．１引言逡逑蓄電池在人們的生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［１—２］。１８５９法國(guó)發(fā)明家普蘭逡逑特發(fā)明鉛酸電池至今己經(jīng)１５０多年，，鉛酸電池以其高安全性、高可靠性和低廉的逡逑價(jià)格一直是使用最廣泛的蓄電池［３４］。但是鉛酸電池能量密度低ＧＯＷｈｋｇ—１），逡逑忌諱深度放電，大電流充電接受能力差［５＿６］。另外，在鉛礦開(kāi)采和鉛粉生產(chǎn)過(guò)程逡逑中存在重金屬污染的問(wèn)題。因此，相對(duì)環(huán)保的鋰離子電池在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域正逐步逡逑的取代鉛酸電池。鋰離子電池是目前能量密度最高的化學(xué)儲(chǔ)能蓄電池［７＿９］。然而，逡逑易燃的有機(jī)電解液使得鋰離子電池安全事故頻發(fā)，特斯拉電動(dòng)汽車著火、三星手逡逑機(jī)爆炸等事故歷歷在目［１（）＿１３］。因此，開(kāi)發(fā)一種既環(huán)保又安全的全新體系蓄電池成逡逑為當(dāng)務(wù)之急。該電池體系使用安全無(wú)毒無(wú)污染的電解液，不含有重金屬元素，能逡逑量密度可媲美甚至超過(guò)鉛酸電池。水系可充電離子電池使用水系電解液并且不含逡逑有重金屬元素，是一種能夠滿足上述要求的電池［１４］。逡逑

惡化導(dǎo)致電池失效。而窄的電化學(xué)穩(wěn)定窗口導(dǎo)致可選擇材料十分有限（熱力學(xué)理逡逑論穩(wěn)定窗口邋１．２邋Ｖ，考慮到動(dòng)力學(xué)因素，水系電解液的穩(wěn)定窗口一般在１．８邋Ｖ以逡逑內(nèi)如圖１－３），電池工作電壓低。因此從經(jīng)驗(yàn)上預(yù)計(jì)現(xiàn)存的體系中沒(méi)有任何一種電逡逑池能夠做到的實(shí)際能量密度能達(dá)到３０邋Ｗｈ邋ｋｇ＿ｌ，并且同時(shí)還具有長(zhǎng)的循環(huán)壽命。逡逑２０Ｔ？邐￣￣—］邋ｂ邐——逡逑ｆN稀粒粒蟈澹懾義希保保卞危常板�？２ＧG蓿常埃紓у義希常板澹�，．．．．．．�

本文編號(hào)：2611005