鈷基化合物及其復合材料的制備與電化學性能研究.pdf

1、高比能電池體系對發展新能源與清潔能源技術,特別是電動汽車電源和大規模風能與太陽能的電力儲存十分重要。采用具有多電子反應特征的電池體系原理上可以獲得比常規單電子反應電池體系更高的能量密度。探索多電子反應電極材料、構建新型高能電池體系是電池技術發展的關鍵科學問題?；诮饘貱o和Co(Ⅱ)在電化學反應過程中進行2電子轉移反應,可實現多電子反應功能,本論文以鈷基化合物及其復合材料作為堿性二次電池的負極材料,對其電化學性能進行了研究,探索了其多電

2、子反應機制,并在此基礎上設計了一種新型二次電池體系。論文主要研究內容和結果如下:
　　 在本論文中,通過機械合金化法制備了Co-Si3N4復合材料,通過XRD、TEM、XPS對復合材料的結構、形貌和表面及體相的化學狀態進行了表征,通過恒流充放電和循環伏安測試研究了復合材料用作堿性二次電池負極的電化學行為。研究結果表明,金屬Co和Si3N4經高能球磨處理后,形成了納米尺度的金屬Co,并分散鑲嵌在非晶態Si3N4化合物的表面。鈷元素

3、在復合材料中主要以金屬態的形式存在,僅在樣品表面存在一層CoO氧化層?；诮饘貱o和Co(Ⅱ)之間的可逆電化學氧化還原反應,Co-Si3N4復合材料(Co/Si物質的量比為2/1)在堿液中表現出403 mAh/g的高放電容量,且電極具有良好的循環穩定性。另外,將該材料添加到稀土鎂基合金中可顯著提高合金的首次放電容量。
　　 論文研究了采用熱分解Co(OH)2前驅體制備了CoO和Co3O4材料,并將其用于堿性二次電池負極材料,研究

4、了其電化學性能。采用XRD、SEM表征了樣品的微觀結構和形貌。通過恒流充放電和循環伏安測試研究了電極的放電容量及電化學反應機制。研究顯示,制備的CoO在60 mA/g放電電流密度下,放電比容量較高,能夠實現507 mAh/g的可逆電化學容量,其放電平臺位于-0.8V附近,電化學反應歸屬為Co的氧化還原。研究同時表明,Co3O4的電化學容量也來自于Co的可逆氧化,由于在充電過程中Co3O4難以完全被還原生成金屬Co,活性物質的利用不充分,

5、電極的最高放電容量為391 mAh/g。以上研究結果表明,CoO和Co3O4在低電流密度放電情況下具有較高的放電容量,在大電流放電條件下具有穩定的循環性能。
　　 論文采用均相沉淀法合成了α-Co(OH)2和β-Co(OH)2,通過XRD和SEM對其結構和形貌進行了表征,重點研究了Co(OH)2電極材料的高倍率性能。其中,β-Co(OH)2較α-Co(OH)2具有更加優異的電化學性能,在1C和10C充放電倍率下放電容量分別達到4

6、55和338 mAh/g,且循環性能穩定。其中,β-Co(OH)2在電化學氧化還原過程中可實現平均轉移數為1.58個電子,該研究成果為探索多電子反應材料提供了新思路。在此基礎上,探索構筑了一種新的Ni/Co電池體系。該Ni/Co電池體系以α-Ni(OH)2為正極活性物質,α-Co(OH)2或β-Co(OH)2為負極活性物質。該Ni/Co模擬電池在1C充放電倍率下放電比能量能夠達到165Wh/kg(以α-Ni(OH)2和β-Co(OH)2