鋅鋁水滑石納米復合材料的制備及其在鋅鎳電池中的應用研究.pdf

1、鋅鎳電池是一種高能量密度的堿性蓄電池，其電池性能遠遠高于鎘鎳和鎳氫電池，加上這種電池原材料豐富，電解液和活性物質無毒，電池體系綠色無污染，越來越受到各國研究機構的重視。然而鎳鋅二次電池中常規(guī)負極材料的放電產(chǎn)物易溶于堿性電解液，從而會導致電池循環(huán)壽命降低。ZnAl-LDH材料由于其新穎的二維納米結構，在堿性電解液中具有很好的穩(wěn)定性和電化學活性等優(yōu)點，被認為最有潛力成為下一代鋅鎳電池的新型負極材料。然而，單相的ZnAl-LDH材料本身的導電

2、性較差限制了其電化學性能的進一步提升。因此，將ZnAl-LDH材料與導電性較好的碳、金屬等復合，通過發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢，改善復合材料的導電性和機械強度，從而極大地提高復合材料的電化學性能。本文圍繞新型ZnAl-LDH納米復合材料的制備和相關電化學性能展開研究，主要內容如下:
　　(1)通過離心分離的方法將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)境中水熱生長結晶，水熱反應24小時后

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構更加規(guī)則，分布更加均勻，沒有出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，ZnAl-LDH樣品呈規(guī)則的六邊形晶體結構，質量和純度較高，非常適合應用到鋅鎳電池負極材料中。
　　(2)利用正負電荷之間的靜電力作用，將表面修飾后的碳納米管和ZnAl-LDH兩種納米材料結合在一起，生成三維ZnAl-LDH/CNTs復合物。對復合物的結構進行表征后發(fā)現(xiàn)，CNTs均勻分布在ZnAl

4、-LDH納米片表面，形成一種導電網(wǎng)狀結構。將其作為負極活性物質應用到鋅鎳電池中，通過恒流充放電曲線研究、CV曲線測試、電池循環(huán)性能實驗，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)運用銀鏡反應技術，在ZnAl-LDH納米片表面進行納米銀修飾，首次制備出銀包覆ZnAl-LDH納米片材料。通過電池的恒流充放電實驗，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。進一步采用交流阻抗技術對其進行研究，發(fā)現(xiàn)這種銀包覆ZnAl-LDH納米片的電荷轉移電阻相比于沒有包覆之前有明顯的下降，證明了銀包覆技術可以顯著改善電極的導電性，降低電極的電荷轉移電阻，使活性物質的電化學性能顯著提升。
　　(4)合成不同銀含量的Ag/ZnAl-LDH復合物，研究復合物中銀的含量對其電化學性能的影響。通過各種結構表征手段，證明了導電相銀包覆在ZnAl-LDH納米片表面，不同銀含量的復合物樣品中銀包覆層的分布和存

6、在狀態(tài)不同，當銀的含量達到7.49 wt.％(AL15)時，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的放電容量沒有出現(xiàn)明顯衰減，在整個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。電化學性能測試表明Ag-LDH復

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

8、H復合物。對graphene/ZnAl-LDH復合物樣品的結構進行表征，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構。由于外層的graphene具有非常好的電子傳導特性，可以大大加快電子在活性物質之間以及活性物質與集流體之間的傳導過程。由于膠囊狀graphene/ZnAl-LDH復合物具有以上優(yōu)點，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，電池容量僅衰減3％，