阴离子修饰氧化镍及其水系储能器件性能研究

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水系储能器件因具有超高的安全性而备受关注,其中,水系碱性镍铁电池因成本低且理论比容量较高,而逐渐回到人们的视野。然而在碱性电解液中,镍正极的充电态NiOOH不稳定,导致比较严重的自放电;铁负极在充放电循环过程中,极易溶解,导致循环稳定性差、自放电严重等问题。因此,若能对镍铁电池自放电进行有效抑制,其将有更大的发展空间。本论文使用不同阴离子对正极NiO进行表面修饰,并在电解液中引入氧化还原添加剂K3Fe(CN)6协同储能。首先对NiO进行磷化改性,在材料表面引入H2PO4-、PO3-等阴离子,其在KOH、KHFC电解液中比容量分别高达325.8 m C cm-2、633.1 m C cm-2。进一步使用离子交换的改性方法得到Fe(CN)64-修饰的NiO(HNO),比容量又分别提升至450m C cm-2、765 m C cm-2,不同电解液中比容量差值的增加证明电极、电解液之间协同作用的增强。且由于Fe(CN)64-抑制了充电态NiOOH的转换,使得其自放电性能极大提升,HNO在KHFC电解液中静置100 h之后,自放电库伦效率仍保持77.76%,据我们所了解,本论文得到的自放电性能是目前报道过的NiO、K3Fe(CN)6体系下最佳的性能。我们对Fe3O4进行表面碳包覆,使其比容量、倍率、循环稳定性等性能均有一定程度的提升,将其与Fe(CN)64-修饰的HNO组装成镍铁电池HNO//Fe3O4-C,在0.99 k W kg-1的功率密度下,保持了高达91.7 Wh kg-1的能量密度,尤其此镍铁电池的自放电率受到了很大抑制,在静置12 h后,仍能保持初始容量的38.9%,相对于NiO//Fe3O4-C提升一倍有余。本论文所取得的创新性成果,尤其是对NiO自放电的机制研究,对后续镍铁电池性能的改善具有借鉴意义。
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