具有高的倍率性能和大容量的水溶液可充电锌离子电池的正极材料：纳米线/石墨烯外文翻译资料

 2022-01-16 19:31:51

英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

题目：具有高的倍率性能和大容量的水溶液可充电锌离子电池的正极材料：纳米线/石墨烯

作者：Qiang Pang, Congli Sun, Yanhao Yu, Kangning Zhao, Ziyi Zhang, Paul M. Voyles, Gang Chen, Yingjin Wei,* and Xudong Wang*

摘要：水充锌离子电池因其低成本、高安全性而被认为是大规模储能的理想选择。我们研究了一种由石墨烯薄片包裹的H2V3O8纳米线(NWs)组成的复合材料，并将其作为水溶液可充锌离子电池的正极材料。纳米线理想的结构特点和高导电性的石墨烯网络的共同作用下， NW /石墨烯复合材料展现出了优越的锌离子存储性能，包括：在1/3 C的电流密度下，拥有394的大容量, 在20C的大电流密度下，展现出了高的倍率性能，容量可达270，其次，它还拥有好的循环稳定性，循环2000圈后，容量保持率仍有87%。该电池展现出来了高的能量密度168 在 1/3 C电流密度下和高的功率密度2215在20 C电流密度下(计算基于 NW /石墨烯复合的总重量和理论上所需要锌数量的)。系统的结构和元素表征证实了可逆的与水共插电化学反应机理。该工作为设计高性能的水基可充电锌离子蓄电池提供了新的思路。通过对材料结构和元素表征，证实了可逆的与水共铜插入的电化学反应机理。该工作为设计高性能的水基可充电锌离子蓄电池提供了新的思路。

  1. 介绍

在过去二十年中，储存和利用清洁的可再生能源，如太阳能、风能等，经历了一个非常快速的发展。同时，为了实现这些间断性能源的存储，对大规模储能系统提出了迫切的要求，需要在高峰和非高峰时段存储和调节功率输出。锂离子电池(LIBs)是目前最受欢迎的电化学储能设备，由于其具有较高的能量密度，被认为是最有前途的储能设备。然而，在这种大规模应用中，成本、寿命和安全性是需要考虑的特别重要的因素。与昂贵且易燃性的非水溶液的锂离子电池相比，水基电解质的水溶液电池在这些方面具有天然的优势。此外，它们的制造环境不需要严格的控制氧气和水，因此具有低得多的制造成本。近年来，水溶液电池系统发展迅速，包括一价、、和二价、体系其中，水溶液可充电锌离子电池(ARZIBs)备受关注，因为其具有低廉的价格、丰富的全球分布、高稳定性、相对较低的氧化还原电势、高的锌金属理论容量(820 )并且可直接用作阳极材料。ARZIBs的这些优点极大地提高了其在大型储能系统甚至电动汽车上的应用潜力。最近,alpha;-MnO2、beta;-MnO2和Zn0.25V2O5·nH2O纳米纤维被成功应用于ARZIBs, 能量密度高到，并且在几千次循环之后，仍具有好的容量保持率

在高性能ARZIBs的发展中，缺乏合适的正极材料是最大的障碍之一。虽然 (0.74 A)的半径与 (0.76 A)的半径基本相同，但由于其原子质量大，正极性强，导致其在大多数电极材料中输运动力学越差，固态可溶性越低。因此，大多数能够满足插入/脱出的电极材料并不适合ARZIBs。到目前为止，只有少数正极材料在实验室中被证明。例如，具有立方开放框架结构的普鲁士蓝类似物和具有分层结构的过渡金属氧化物(和)能够满足可逆的插入/脱出然而前者的比容量有限(asymp;60)，后者的循环性能差。除了高比容量外，电极材料的形态、结构稳定性和离子/电子导电性等其他因素也是实现高电池性能的关键。例如，优化结晶度可以提高结构的可逆性。减小颗粒尺寸，将活性材料与高导电性添加剂如碳纳米管或石墨烯相结合，可大大提高其充放电的倍率性能。这些措施在许多非水溶液电池系统中已经得到了广泛的应用

层状钒氧化物具有层间距离大、理论比容高、分布丰富、成本低等优点，被认为是各种电池系统的理想替代品。其中，自2006年以来， (或)被报道为极有前途的LIBs正极材料它由层(由VO6八面体和VO5三角双锥体组成)组成，层间由氢键连接层状结构提供了通道，使得能够容易的插入双电荷的。与范德华相互作用较弱的、等层状钒氧化物相比，中的氢键在充放电过程中具有更好的结构完整性和稳定性。此外，由于和的混合价，具有更高的电子导电性[8,9]。同时，较高的平均价(4.67)使得氧化还原位点活性更强，比容量更大。这些独特的性能表明，可能是一种有前途的ARZIBs阴极材料。本研究中，我们通过简单的水热反应合成了纳米线(NWs)和石墨烯片。将制备好的纳米线/石墨烯复合材料作为ARZIBs阴极材料, 表现出了优越的锌离子存储性能包括大的比容量(394在1/3 C的电流密度下),高的倍率性能(270 在 20 C的电流密度下)和超长的循环稳定性(2000次)。

  1. NW/石墨复合材料的表征

NW/石墨复合材料是通过单步水热法制备的(实验详见实验部分)。我们首先通过x射线衍射（XRD）研究了该复合材料的晶体学，特征峰很好的与斜方结晶相相匹配(晶格参数: a = 16.93 Aring;, b = 9.36 Aring;, c = 3.64 Aring;, alpha; = beta; = gamma; = 90°, 空间群: Pnam, JCPDS No. 85-2401，图S1,辅助信息)。在10°至20°出现了几个很弱的峰，是由于在合成的时候，加入了氧化石墨烯而形成了少量的钒氧化物杂质造成的。扫描电子显微镜(SEM)图像显示了复合材料的形貌和微观结构(图1a,b)。NWs表现出统一的大小和一个大的长直径比，长度为3–5 micro;m，直径为50–100 nm. 石墨烯片混合在了随机方向的NWs中，形成均匀混合物。与氧化石墨烯相比，NW /石墨烯的碳1s XPS谱显示出更少的含氧官能团(图S2，辅助信息)，证实氧化石墨烯还原为了石墨烯该体系结构保证了NWs与石墨烯之间大的接触面积、短的电荷移动距离(图1c)，有利于优化该复合材料的电荷传输性能。透射电子显微镜(TEM)图像进一步证明了NWs是紧密地固定在石墨烯表面(图1d)。每个NW对比都十分统一，表现出了高的结晶度，并且杂质的存在是可以忽略的(图1e)。NW的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像显示了NW表面清晰的单晶晶格，具有清晰的边缘并且不存在非晶质层(图1f)。对应的快速傅里叶变换(FFT)模式(插图1f)显示该晶格层间距为0.34 nm，与的吻合良好。

同时我们在前驱体中不添加石墨烯的情况下合成了H2V3O8 NWs，研究了石墨烯对晶体生长的影响。XRD证实(图S3a，辅助信息)纯NWs与NW/石墨烯复合材料具有相同的晶相和晶格参数(表S1，辅助信息)。SEM和TEM图像显示，当没有加入石墨烯时， NW的厚度稍有增加(平均asymp;50 nm), 表明石墨烯的覆盖会轻微的限制NW的生长(图S3b-d,支持信息)。此外, 氮吸附-解吸等温线表征说明了NW/石墨烯复合材料的比表面积是21.5,远远大于14纯NWs的比表面积(图S4,辅助信息)。较大的表面积会增大电解液与电极之间的接触面积。当分散在导电添加剂中用于电极制备时，NWs与石墨烯之间的亲密接触得到了很好的保护(图S5，辅助信息)，形成了内嵌大量活性材料的3D导电石墨烯网络。NW/石墨烯复合材料中石墨烯的质量分数asymp;4.7 wt %。

图1: NW/石墨烯复合材料的电镜表征。a)制备的/石墨烯复合材料形貌的SEM图像。b) NWs与石墨烯薄膜紧密分布的SEM图像。c)复合材料结构示意图。d)石墨烯薄膜上 NWs均匀分布的TEM图像。e) TEM图像，显示了具有弯曲尖端表面呈矩形形状的NWs。f) NW端单晶晶格HRTEM图像。插入的图是对应的FFT图像。

  1. NW/石墨烯复合材料在水溶液锌离子电池中的电化学性能

以3 m的 Zn水溶液为电解液，锌金属箔为负极，在0.2 ~ 1.6 V (vs Zn/)的电压区间对NW/石墨烯复合电极进行了电化学性能的测试。图2为NW/石墨烯电极在1/3 C(1 C = 300 ,基于稳定的容量asymp;300 在300)的电流密度下前三次循环的充放电曲线。第一次放电容量394。充电容量为386，首次的库仑效率为98%。高库仑效率表明离子插入/脱出过程具有良好的可逆性。从放电曲线中可以看到两个电压平台，分别为0.8-0.6 V和0.6-0.4 V。在接下来的充电过程中，这两个电压平台都保持稳定。这一现象表明，在后续的周期中，电化学反应可能不会发生不可逆的晶体结构的变化。

前三次循环的电流密度为1/3C，之后NW/石墨烯复合电极在1C的电流密度下的循环性能ru 图b所示。激活过程是为了保证充放电反应能够在电极材料在晶格内部一定深度(或完全)发生，从而避免初始循环中容量增加的现象。该电池可以提供比放电容量为336，并且在150次循环后库仑效率仍为100%。NW/石墨烯复合电极的倍率性能是通过将电流速率从1/3 C逐渐增加到10 C来评估的(图2c)。当电流密度增加到5C时，电池的容量仍然高达240，令人印象深刻的是，当继续将电流密度从6C增大到10C的时候，容量几乎保持不变，对应的容量分别为232, 227, 222, 218, and 215。在不同电流密度下，特别是较高电流密度下的放电曲线形状相同，极化较小(图2d)，证明了电极具有快速电荷转移动力学。在倍率性能测试之后，我们研究了电池在非常高的电流密度(20c)下的耐久性和长周期稳定性(图2e)。在前700次循环，电池的容量逐渐从asymp;200增加到270 ，并且保持了asymp;400圈。从第1030次到第2000次循环，电池的容量逐渐降到了240，容量保持率高达87%（根据第1030次循环的最高容量276 计算得出）。相比于其他目前先进的ARZIB正极材料, 如beta;-Mn(asymp;254 在asymp;197 功率密度下)alpha;-Mn(asymp;220 在 asymp;35 ) ·nO(asymp;170 在asymp;30 ) Zn/C(asymp;170 在asymp;55功率密度下) /C(asymp;100在asymp;55和(asymp;100 在asymp;100 ) NW/石墨烯复合表现出具有竞争性的能量密度和功率密度。特别是NW/石墨烯复合电极在34，能量密度可以高达168(计算基于NW/石墨烯复合材料的总重量和理论上所需锌的数量)，体积能量密度高达325(计算基于正极的体积和理论上计算所需锌的数量，不考虑载流体,图S7,辅助信息)。当在2215的大，能量密度仍然可达89。能量密度明显高于其他传统水溶液能量存储系统包括超级电容器(lt; 10 )水溶液锂电池和Ni-MH电池 。与NW/石墨烯复合材料优秀的电化学性能相比,纯NW电极的性能较差包括较低的放电容量：循环60圈后在1/3 C的电流密度下容量为230，和差的倍率性能：在5C的电流密度下容量只有58.4 (图S8,辅助信息)。这种比较表明,石墨烯的复合不仅改善了NW循环稳定性和倍率性能，还增加了asymp;30的放电容量。这种性能的提高可以归因于电极电化学动力学的改善和石墨烯薄片高的比表面积所产生的电容效应

为了揭示NW /石墨烯复合材料具有如此良好的电化学性能的原因，通过扫描电镜和透射电镜研究了不同循环次数的NW的电极结构和晶体结构。结果表明经过短(图3a、b)、长(图3d、e)的充放电周期后，复合材料结构和NW形态保持良好。经过2000次循环后，石墨烯片可以清晰地观察到，并在NW网络中保持良好的分布(图3b,e)。HRTEM图像进一步显示，在1c电流密度下循环150次后，NWs保持了与原始样品相同的高质量晶格(图3c)。在20c的电流密度下经过2000次循环后，仍然可以清晰地分辨出NWs的晶相(图3f)。相应的，2000次循环后电极的XRD谱也显示出的特征衍射峰(图S9，辅助信息)。相的稳定确保了在重复充放电过程中的高的容量保留率。然而，(200)峰强度的显著降低，表明(200)晶面上的堆积可能由于长期的插层和脱出而变得更加不规则。

接着我们利用电化学阻抗谱(EIS)来了解复合材料电极的电化学动力学(图S10，辅助信息)。NWs电极的Nyquist图均为一个半圆形，可以认为是电极界面与电解质之间的电荷转移电阻(charge transfer resistance, Rct)。这条线的斜率可以归因于离子在体电极中的扩散。第一次放电后，NW /石墨烯电极的半圆半径仅略小于纯NW电极的半圆半径。然而，经过150次循环后，NW /石墨烯电极的Rct几乎是纯NW电极的两倍。如此大的差异表明石墨烯导电网络在改善电极的电荷传递动力学方面发挥了重要作用，尤其是在循环次数较大的情况下。

图2：/石墨烯电极的电化学性能。a) /石墨烯正极在1/3 C电流密度下的恒流充放电曲线。b)以1/3 C电流密度下活化3个周期后，在1c电流密度下的循环性能及对应的库仑效率。c)不同电流密度下的倍率性能。d)不铜电流密度下的恒流充放电曲线。e) 20c电流密度下的长循环。

图3：循环后的 NW/石墨烯复合电极的电子显微镜图像。a-c) 150次循环后，以1/3 C的电流密度。d-f) 2000次循环后，以20c的电流密度。a,d)扫描电子显微镜图像，以1/3C的电流密度， 循环150次后电极的形貌。b,e)电极中石墨烯导电网络的SEM图像。c,f) NW晶体的HRTEM图像。

  1. 电化学反应的机理

首先利用XPS研究正极材料的电化学反应。如图4a所示，在原始电极中未检测到Zn元素信号。当放电至0.2 V时，电极呈现出三个Zn 2p3/2峰成分。其中位于1023.7 eV的一个峰，可以归因于石墨烯薄片和 NWs表面吸附的离子。在1026.7和1028.3 eV处出现了两个峰对应于插入的不同配位的。当电极被充电到1.6 V时，只剩下一个对应于表面吸收的Zn 2p3/2峰。该分析表明，在循环过程中，电极中存在可逆的插入/脱出(表S2，辅助信息)。在原始和充满电的电极中，O1s区域可以被拟合成三个峰，如图4b所示。在中，位于较低能量529.9、530.9和532.6 eV的峰值可分配给O 1s当电极放电至0.2 V时，在533.1 eV处出现新的宽峰。这个峰值可以分配给插入的水分子的O 1s轨道此外，如图4c所示，原始电极中的V2 信号可以分为515.9 eV和517.4 eV处的两个峰值，分别

全文共13157字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[1272]

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章