碱性高铁酸盐电池中高铁酸钾的合成及稳定性能和放电性能的改善

摘要

高铁酸盐电池也即超铁电池，因为其具有较高的氧化还原电位、较高的电化学理论容量、平稳的放电平台、放电产物无污染、合成原料来源丰富等诸多优点成为电池领域的研究热点。虽然有诸多优点，但是目前高铁酸盐电池向工业化发展受到了一定的阻碍，其原因主要有:高铁酸盐材料合成过程复杂且成本过高、高铁酸盐材料稳定性差，自放电分解现象比较严重，电池放电效率较低等。针对高铁酸盐存在的合成困难和不稳定性，本文作了如下研究:
　　 (1)概述高铁酸盐的合成方法、分析方法、结构、物理化学性质及其应用，并提出了本论文的研究目的和意义。
　　 (2)改进高铁酸钾(K2FeO4)的合成方法，并研究影响K2FeO4合成反应的因素，如氯气吸收温度、碱度，反应物的浓度和质量，反应温度和时间，分离和纯化工艺等。合成出来的产品纯度用亚铬酸盐法测定，并用X-射线衍射(XRD)，红外光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)对产品进行表征。亚铬酸盐法测定表明K2FeO4的纯度为90％-99.8％，XRD和FT-IR光谱表明K2FeO4属正交晶系，空间群为D2h(Pnma)，而且表明本实验所合成的K2FeO4纯度高于95％，SEM研究表明K2FeO4呈长方体片状，结晶良好，表面光滑。
　　 (3)本论文系统地研究了K2FeO4的电化学性能，如循环伏安性能，放电性能。研究并讨论了电解液浓度、放电倍率、导电剂种类及含量，放电温度、K2FeO4纯度等对其放电性能的影响。研究结果表明，K2FeO4与乙炔黑按9∶1的质量比混合，在10 mol·L-1 KOH溶液中，放电温度在25℃-30℃之间，以0.25 C的倍率放电时放电性能最好。且其放电性能随K2FeO4纯度增加而改善。
　　 (4)为了提高K2FeO4的稳定性，使用有机化合物四苯基卟啉在有机溶剂二氯甲烷中包覆K2FeO4，并通过扫描电子显微镜(SEM)、光电子能谱(EDS)、傅里叶红外转换光谱(FT-IR)对包覆后的材料进行表征。结果显示，K2FeO4成功被卟啉包覆。本章同时研究包覆前后K2FeO4的循环伏安曲线(CV)，比较包覆前后K2FeO4分别在空气中和在电解液中的稳定性能，研究包覆前后K2FeO4的交流阻抗性能和开路电位性能。循环伏安图显示包覆后的K2FeO4峰电流减小并且峰电位向正方向偏移。潮湿空气中的稳定性测试表明未包覆的K2FeO4暴露在空气中纯度迅速下降，包覆后的K2FeO4比未包覆的更稳定，且包覆比例越高，K2FeO4纯度下降越慢。恒流放电测试表明K2FeO4电池在KOH溶液中不稳定，在10 mol·L-1 KOH溶液中浸泡6h后放电容量下降了75％，而用卟啉包覆后稳定性有很大提高，其中8％卟啉包覆的K2FeO4在10 mol·L-1 KOH溶液中浸泡6h后放电容量比未包覆的K2FeO4增加了89 mAh g-1。交流阻抗研究表明，K2FeO4电极在溶液中浸泡后电荷转移电阻增大，用卟啉包覆后电荷转移电阻也变大，表明四苯基卟啉包覆在K2FeO4表面，对K2FeO4电极起到保护作用，减慢了K2FeO4的分解。开路电位曲线显示K2FeO4的稳定性随浸泡时间的增加而减弱，随四苯基卟啉包覆含量的增加而增强。
　　 (5)用四苯基卟啉包覆K2FeO4后，当其立即放电时，放电性能减弱，为了克服这一缺点，选择添加无机物质:KIO4，KClO3，NaBiO3和K2S2O8来改善四苯基卟啉包覆后K2FeO4的放电性能。实验结果表明，NaBiO3和K2S2O8能增加四苯基卟啉包覆的K2FeO4的放电容量。同时还通过对添加NaBiO3后电极物质的XRD物相分析来探讨NaBiO3的作用机理。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高铁酸盐的制备和分析方法

1．1．1 高铁酸盐的制备

1．1．2 高铁酸盐的分析方法

1．2 高铁酸盐的结构与表征

1．2．1 高铁酸盐的结构

1．2．2 高铁酸钾的表征

1．3 高铁酸钾的性质

1．3．1 高铁酸盐的磁化率

1．3．2 高铁酸盐的热力学性质

1．3．3 高铁酸盐的溶解性

1．3．4 高铁酸钾的稳定性和动力学

1．3．5 高铁酸盐的电化学性质

1．4 高铁酸盐的应用

1．4．1 高铁酸盐作为水处理剂

1．4．2 高铁酸盐用作选择性氧化剂

1．4．3 高铁酸盐在电池材料中的应用

1．5 选题目的意义和研究内容

第二章 高铁酸钾的合成与表征

2．1 实验部分

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验仪器

2．1．3 高铁酸钾的合成

2．1．4 高铁酸钾的纯度分析

2．1．5 X-射线衍射分析(XRD)

2．1．6 红外光谱分析(FT-IR)

2．1．7 扫描电镜分析(SEM)

2．2 结果与讨论

2．2．1 高铁酸钾合成的影响因素

2．2．2 高铁酸钾的结构表征与分析

2．3 本章小结

第三章 高铁酸钾的电化学性能研究

3．1 实验部分

3．1．1 实验试剂

3．1．2 实验仪器

3．1．3 高铁酸钾电极材料的制备

3．1．4 高铁酸钾电极的循环伏安性能

3．1．5 高铁酸钾电池的放电测试

3．2 结果与讨论

3．2．1 高铁酸钾的循环伏安性能

3．2．2 电解液浓度对锌-高铁酸钾电池的影响

3．2．3 放电倍率的影响

3．2．4 导电剂种类对高铁酸钾电池的影响

3．2．5 导电剂含量对锌-高铁酸钾电池放电性能的影响

3．2．6 温度对锌-高铁酸钾电池放电性能的影响

3．2．7 高铁酸钾纯度对放电性能的影响

3．3 本章小节

第四章 四苯基卟啉包覆的高铁酸钾的稳定性能和放电性能的改善

4．1 实验部分

4．1．1 实验药品

4．1．2 实验仪器

4．1．3 四苯基卟啉的制备

4．1．4 四苯基卟啉的红外光谱

4．1．5 四苯基卟啉包覆高铁酸钾的制备

4．1．6 四苯基卟啉包覆的高铁酸钾的表征

4．1．7 四苯基卟啉包覆的高铁酸钾电极的制备

4．1．8 四苯基卟啉包覆的高铁酸钾电极的循环伏安性能

4．1．9 锌-四苯基卟啉包覆的高铁酸钾电池的放电性能

4．1．10 四苯基卟啉包覆的高铁酸钾电极的交流阻抗谱

4．1．11 锌-四苯基卟啉包覆的高铁酸钾电池的开路电位

4．2 结果与讨论

4．2．1 四苯基卟啉的合成优化与表征

4．2．2 四苯基卟啉包覆的高铁酸钾扫描电镜分析(SEM)和光电子能谱分析(EDS)

4．2．3 四苯基卟啉包覆的高铁酸钾红外光谱分析

4．2．4 四苯基卟啉包覆的高铁酸钾循环伏安分析(CV)

4．2．5 高铁酸钾在空气中的稳定性

4．2．6 四苯基卟啉包覆的高铁酸钾在碱性溶液中的稳定性能

4．2．7 四苯基卟啉包覆的高铁酸钾电极的交流阻抗谱分析

4．2．8 锌-高铁酸钾电池的开路电位

4．2．9 四苯基卟啉包覆的高铁酸钾放电性能的改善

4．3 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果