锌铝水滑石纳米复合材料的制备及其在锌镍电池中的应用研究

【摘要】摘要：锌镍电池是一种高能量密度的碱性蓄电池,其电池性能远远高于镉镍和镍氢电池,加上这种电池原材料丰富,电解液和活性物质无毒,电池体系绿色无污染,越来越受到各国研究机构的重视。然而镍锌二次电池中常规负极材料的放电产物易溶于碱性电解液,从而会导致电池循环寿命降低oZnAl-LDH材料由于其新颖的二维纳米结构,在碱性电解液中具有很好的稳定性和电化学活性等优点,被认为最有潜力成为下一代锌镍电池的新型负极材料。然而,单相的ZnAl-LDH材料本身的导电性较差限制了其电化学性能的进一步提升。因此,将ZnAl-LDH材料与导电性较好的碳、金属等复合,通过发挥两种材料各自的优势,改善复合材料的导电性和机械强度,从而极大地提高复合材料的电化学性能。本文围绕新型ZnAl-LDH纳米复合材料的制备和相关电化学性能展开研究,主要内容如下：(1)通过离心分离的方法将ZnAl-LDH固体沉淀和盐溶液分离,再重新分散在超纯水中,使ZnAl-LDH在超纯水环境中水热生长结晶,水热反应24小时后得到了晶形规则、大小均一的二维纳米片材料。相比于常规的水热法和共沉淀法,本方法合成的水滑石结构更加规则,分布更加均匀,没有出现团聚现象,ZnAl-LDH样品呈规则的六边形晶体结构,质量和纯度较高,非常适合应用到锌镍电池负极材料中。(2)利用正负电荷之间的静电力作用,将表面修饰后的碳纳米管和ZnAl-LDH两种纳米材料结合在一起,生成三维ZnAl-LDH/CNTs复合物。对复合物的结构进行表征后发现,CNTs均匀分布在ZnAl-LDH纳米片表面,形成一种导电网状结构。将其作为负极活性物质应用到锌镍电池中,通过恒流充放电曲线研究、CV曲线测试、电池循环性能实验,证明电池的循环稳定性、充放电性能以及电极的放电比容量均有显著提升。(3)运用银镜反应技术,在ZnAl-LDH纳米片表面进行纳米银修饰,首次制备出银包覆ZnAl-LDH纳米片材料。通过电池的恒流充放电实验,发现这种银包覆ZnAl-LDH纳米片材料具有更高的放电容量、更为优异的充放电性能和循环稳定性。进一步采用交流阻抗技术对其进行研究,发现这种银包覆ZnAl-LDH纳米片的电荷转移电阻相比于没有包覆之前有明显的下降,证明了银包覆技术可以显著改善电极的导电性,降低电极的电荷转移电阻,使活性物质的电化学性能显著提升。(4)合成不同银含量的Ag/ZnAl-LDH复合物,研究复合物中银的含量对其电化学性能的影响。通过各种结构表征手段,证明了导电相银包覆在ZnAl-LDH纳米片表面,不同银含量的复合物样品中银包覆层的分布和存在状态不同,当银的含量达到7.49wt.%(AL15)时,形成一层均匀的银包覆层。综合考虑电池的循环稳定性和放电容量,AL15样品的性能最佳,在循环300次以后,AL15的放电容量没有出现明显衰减,在整个300次充放电循环中放电容量始终稳定在-400mAhg-。(5)采用溶液直接还原法,在不用任何还原剂的情况下,将硝酸银溶液中的银离子直接还原成纳米银颗粒,沉积在ZnAl-LDH纳米片表面。电化学性能测试表明Ag-LDH复合物样品相比于纯的ZnAl-LDH,其电化学性能得到了显著改善。电化学交流阻抗谱分析结果表明,Ag-LDH复合物的电荷转移电阻明显降低。这证明了高导电的纳米银颗粒沉积在ZnAl-LDH纳米片表面,可以通过降低电荷转移电阻的方式,提高电极材料的电荷传输速率和电子导电性,改善电极材料的电化学性能。(6)采用自组装的方法将GO和ZnAl-LDH组装在一起,然后通过水热还原法,将GO还原成石墨烯,得到graphene/ZnAl-LDH复合物。对graphene/ZnAl-LDH复合物样品的结构进行表征,证明了超薄的石墨烯将ZnAl-LDH纳米片包裹在中心,形成新颖的胶囊状结构。由于外层的graphene具有非常好的电子传导特性,可以大大加快电子在活性物质之间以及活性物质与集流体之间的传导过程。由于胶囊状graphene/ZnAl-LDH复合物具有以上优点,在电池的循环性能和放电容量方面均有大幅提升。在1C条件下电池恒流充放电循环1000次以后,电池容量仅衰减3%,稳定在～405mAhg-1,这种优异的循环特性,非常适合作为锌镍电池负极活性材料。
【作者】杨斌；
【导师】杨占红；
【作者基本信息】中南大学，应用化学，2014，博士
【关键词】锌镍电池；锌铝水滑石；电化学活性；纳米复合物；碳纳米管；纳米银颗粒；石墨烯；

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