Y掺杂ZrO2包覆K2FeO4及其对正极材料电化学性能影响的研究

摘要

超铁电池自上世纪九十年代被报道以来,即以诸多诱人的优势成为电池领域研究的新热点,被认为是电池技术的革命性成果。然而受高铁酸盐本身不稳定、易分解等缺陷的制约,超铁电池一直未能发挥它的优势,实现广泛应用。保护膜的应用为提高高铁酸钾的稳定性提供了一个理想的选择。本文采用钇参杂氧化锆(Zr／Y)包覆高铁酸钾来提高其稳定性。论文首先研究了Zr／Y的包覆工艺,然后对包覆高铁酸钾的电化学性能以及组装成纽扣电池后的放电性能进行了系统的研究。
　　 本文以高铁酸钾作为包覆对象,采用ZrOCl2和Y(NO3)3作为包覆原料进行无机包覆。研究了Zr和Y的用量、包覆高铁酸钾的干燥温度以及包覆过程中pH的调节等包覆工艺对高铁酸钾放电测试的影响。研究结果表明,在室温条件下,最佳包覆工艺条件为:m(ZrOCl2.8H2O):m(K2FeO4)为2:100～3:100,n(Y):n(Zr)为9:100,包覆pH值为7～8,干燥温度应设为60℃。随后,以锌为负极,组装成模拟电池并对包覆高铁酸钾正极材料进行了放电测试,结果表明:在干燥的空气中保存四个月后包覆高铁酸钾电极的放电效率仍能维持50％以上；同样,在饱和KOH中,保存两周后包覆高铁酸钾放电效率仍能维持63％；在10mol.L-1的KOH电解液中放电,包覆高铁酸钾电极放电比容量可达到206mAh.g-1；这些研究结果表明,ZrO2膜中Y的掺杂,明显改善了高铁酸钾的放电过程。此外,通过对高铁酸钾电极材料交流阻抗和循环伏安的研究可知,对高铁酸钾进行Y掺杂ZrO2包覆,可以在保证原有Zr包覆对高铁酸钾稳定性能的基础上降低了复合膜的本身带来的电阻,改善了电子在电极材料内部的传输能力,因而大大提高了高铁酸钾电极材料的放电性能。
　　 最后,将包覆高铁酸钾电极材料组装成纽扣电池,对导电剂的种类和用量进行了研究,同时研究了不同的隔膜,最后选择乙炔黑和聚丙烯无纺布接枝膜作为组装纽扣电池的最佳选择。同自组装碱性锌锰电池放电的进行比较,在放电容量、放电电压平台的高低和稳定性等方面,高铁酸钾纽扣电池要比碱性锌锰电池的放电性能优越许多。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 化学电源

1.1.1 引言

1.1.2 化学电源的发展

1.1.3 碱性锌锰电池

1.2 超铁电池

1.2.1 高铁酸盐

1.2.2 超铁电池的自身优势

1.2.3 国外对超铁电池的报道

1.2.4 国内对超铁电池的报道

1.2.5 超铁电池的缺陷

1.3 无机膜对高铁酸盐的包覆

1.3.1 无机膜包覆电极材料的发展

1.3.2 无机膜对高铁酸盐的包覆

1.4 课题的选题思路、研究内容和创新点

1.4.1 本论文的选题思路

1.4.2 本论文的研究内容

1.4.3 本论文的创新点

第二章 实验方法和实验原理

2.1 实验材料及设备

2.1.1 实验药品及原料

2.1.2 实验仪器及设备

2.2 实验方法

2.2.1 高铁酸钾的结晶提纯

2.2.2 Y掺杂ZrO2无机膜对K2FeO4的包覆

2.3 包覆钇-锆无机膜高铁酸钾的表征

2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)

2.3.2 傅立叶变换红外光谱(FTJR)

2.4 高铁酸钾电极制备工艺及模拟电池组装方法

2.4.1 高铁酸钾电极的制备工艺

2.4.2 模拟电池的组装

2.5 电化学性能测试方法

2.5.1 电池放电测试

2.5.2 交流阻抗测试(EIS)

2.5.3 循环伏安测试(CV)

第三章 Y掺杂ZrO2包覆膜工艺对K2FeO4放电性能的影响

3.1 实验过程

3.1.1 影响复合无机膜包覆的因素

3.1.2 无机包覆膜对K2FeO4的包覆

3.2 锆的用量对包覆高铁酸钾放电性能的影响

3.3 钇的用量对包覆高铁酸钾放电性能的影响

3.4 包覆高铁酸钾的干燥温度的影响

3.4.1 包覆干燥温度对K2FeO4放电性能的影响

3.4.2 干燥温度的作用机理

3.5 pH值的调节对包覆过程的影响

3.5.1 不同pH值下包覆K2FeO4放电性能

3.5.2 pH值的作用机理

3.6 材料的SEM表征

3.7 材料的FTIR光谱分析

3.8 本章小结

第四章 Y掺杂ZrO2包覆K2FeO4正极材料电化学性能研究

4.1 实验过程

4.2 钇掺杂氧化锆包覆对高铁酸钾稳定性的影响

4.2.1 Y掺杂ZrO2包覆K2FeO4电极材料放电性能

4.2.2 不同放置时间下包覆无机复合膜K2FeO4电极的放电测试

4.2.3 不同浓度电解液下K2FeO4放电测试

4.3 包覆膜中钇的掺杂对电极放电性能的影响

4.3.1 初始放电电压降

4.3.2 放电电流的影响

4.4 交流阻抗测试和循环伏安测试

4.4.1 交流阻抗测试

4.4.2 循环伏安测试

4.5 钇掺杂氧化锆膜对电极放电增强机制

4.5.1 氧空位Vo的形成

4.5.2 Y的价态变化

4.6 本章小结

第五章 自组装超铁纽扣电池电化学性能的研究

5.1 电极制备及纽扣电池的装配

5.1.1 电极制备

5.1.2 纽扣电池的装配

5.2 导电剂的种类和用量的影响

5.2.1 导电剂的种类的影响

5.2.2 乙炔黑的用量

5.3 隔膜的影响

5.4 温度对高铁酸钾纽扣电池的影响

5.5 高铁酸钾纽扣电池和碱性锌锰纽扣电池放电性能比较

5.6 本章小结

第六章 结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢