鋅鋁水滑石納米復(fù)合材料的制備及其在鋅鎳電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、鋅鎳電池是一種高能量密度的堿性蓄電池，其電池性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鎘鎳和鎳氫電池，加上這種電池原材料豐富，電解液和活性物質(zhì)無(wú)毒，電池體系綠色無(wú)污染，越來(lái)越受到各國(guó)研究機(jī)構(gòu)的重視。然而鎳鋅二次電池中常規(guī)負(fù)極材料的放電產(chǎn)物易溶于堿性電解液，從而會(huì)導(dǎo)致電池循環(huán)壽命降低。ZnAl-LDH材料由于其新穎的二維納米結(jié)構(gòu)，在堿性電解液中具有很好的穩(wěn)定性和電化學(xué)活性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為最有潛力成為下一代鋅鎳電池的新型負(fù)極材料。然而，單相的ZnAl-LDH材料本身的導(dǎo)電

2、性較差限制了其電化學(xué)性能的進(jìn)一步提升。因此，將ZnAl-LDH材料與導(dǎo)電性較好的碳、金屬等復(fù)合，通過(guò)發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢(shì)，改善復(fù)合材料的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，從而極大地提高復(fù)合材料的電化學(xué)性能。本文圍繞新型ZnAl-LDH納米復(fù)合材料的制備和相關(guān)電化學(xué)性能展開(kāi)研究，主要內(nèi)容如下:
　　(1)通過(guò)離心分離的方法將ZnAl-LDH固體沉淀和鹽溶液分離，再重新分散在超純水中，使ZnAl-LDH在超純水環(huán)境中水熱生長(zhǎng)結(jié)晶，水熱反應(yīng)24小時(shí)后

3、得到了晶形規(guī)則、大小均一的二維納米片材料。相比于常規(guī)的水熱法和共沉淀法，本方法合成的水滑石結(jié)構(gòu)更加規(guī)則，分布更加均勻，沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，ZnAl-LDH樣品呈規(guī)則的六邊形晶體結(jié)構(gòu)，質(zhì)量和純度較高，非常適合應(yīng)用到鋅鎳電池負(fù)極材料中。
　　(2)利用正負(fù)電荷之間的靜電力作用，將表面修飾后的碳納米管和ZnAl-LDH兩種納米材料結(jié)合在一起，生成三維ZnAl-LDH/CNTs復(fù)合物。對(duì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征后發(fā)現(xiàn)，CNTs均勻分布在ZnAl

4、-LDH納米片表面，形成一種導(dǎo)電網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。將其作為負(fù)極活性物質(zhì)應(yīng)用到鋅鎳電池中，通過(guò)恒流充放電曲線研究、CV曲線測(cè)試、電池循環(huán)性能實(shí)驗(yàn)，證明電池的循環(huán)穩(wěn)定性、充放電性能以及電極的放電比容量均有顯著提升。
　　(3)運(yùn)用銀鏡反應(yīng)技術(shù)，在ZnAl-LDH納米片表面進(jìn)行納米銀修飾，首次制備出銀包覆ZnAl-LDH納米片材料。通過(guò)電池的恒流充放電實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種銀包覆ZnAl-LDH納米片材料具有更高的放電容量、更為優(yōu)異的充放電性能和循環(huán)穩(wěn)

5、定性。進(jìn)一步采用交流阻抗技術(shù)對(duì)其進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)這種銀包覆ZnAl-LDH納米片的電荷轉(zhuǎn)移電阻相比于沒(méi)有包覆之前有明顯的下降，證明了銀包覆技術(shù)可以顯著改善電極的導(dǎo)電性，降低電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻，使活性物質(zhì)的電化學(xué)性能顯著提升。
　　(4)合成不同銀含量的Ag/ZnAl-LDH復(fù)合物，研究復(fù)合物中銀的含量對(duì)其電化學(xué)性能的影響。通過(guò)各種結(jié)構(gòu)表征手段，證明了導(dǎo)電相銀包覆在ZnAl-LDH納米片表面，不同銀含量的復(fù)合物樣品中銀包覆層的分布和存

6、在狀態(tài)不同，當(dāng)銀的含量達(dá)到7.49 wt.％(AL15)時(shí)，形成一層均勻的銀包覆層。綜合考慮電池的循環(huán)穩(wěn)定性和放電容量，AL15樣品的性能最佳，在循環(huán)300次以后，AL15的放電容量沒(méi)有出現(xiàn)明顯衰減，在整個(gè)300次充放電循環(huán)中放電容量始終穩(wěn)定在～400mAhg-1。
　　(5)采用溶液直接還原法，在不用任何還原劑的情況下，將硝酸銀溶液中的銀離子直接還原成納米銀顆粒，沉積在ZnAl-LDH納米片表面。電化學(xué)性能測(cè)試表明Ag-LDH復(fù)

7、合物樣品相比于純的ZnAl-LDH，其電化學(xué)性能得到了顯著改善。電化學(xué)交流阻抗譜分析結(jié)果表明，Ag-LDH復(fù)合物的電荷轉(zhuǎn)移電阻明顯降低。這證明了高導(dǎo)電的納米銀顆粒沉積在ZnAl-LDH納米片表面，可以通過(guò)降低電荷轉(zhuǎn)移電阻的方式，提高電極材料的電荷傳輸速率和電子導(dǎo)電性，改善電極材料的電化學(xué)性能。
　　(6)采用自組裝的方法將GO和ZnAl-LDH組裝在一起，然后通過(guò)水熱還原法，將GO還原成石墨烯，得到graphene/ZnAl-LD

8、H復(fù)合物。對(duì)graphene/ZnAl-LDH復(fù)合物樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，證明了超薄的石墨烯將ZnAl-LDH納米片包裹在中心，形成新穎的膠囊狀結(jié)構(gòu)。由于外層的graphene具有非常好的電子傳導(dǎo)特性，可以大大加快電子在活性物質(zhì)之間以及活性物質(zhì)與集流體之間的傳導(dǎo)過(guò)程。由于膠囊狀graphene/ZnAl-LDH復(fù)合物具有以上優(yōu)點(diǎn)，在電池的循環(huán)性能和放電容量方面均有大幅提升。在1C條件下電池恒流充放電循環(huán)1000次以后，電池容量?jī)H衰減3％，