可充镁电池集流体及正极材料研究

摘要

镁的离子半径、化学性质和锂有许多相似之处,且具有价格便宜、安全性高及环境友好等优点;镁的理论比容量较大,以镁作为负极的可充镁电池能提供比铅酸电池和镍-镉电池系统高得多的能量密度,是一种有良好前景的化学电源。
　　本文研究了不同集流体对可充镁电池电解液Mg(AlCl2EtBu)2/THF与(PhMgCl)2-AlCl3/THF性能的影响。在可充镁电池电解液中,使用铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、不锈钢(SS)作为集流体时,金属在电解液的分解电位以前就会发生自身的腐蚀,这限制了电解液在更高电位的应用。结果表明,Ni和SS适用于充电截止电压在2.1V(vs. Mg/Mg2+)以下的正极材料,Cu适用于充电截止电压在1.8V(vs. Mg/Mg2+)以下的正极材料,Al具有最差的稳定性,不适合用作可充镁电池的集流体。碳纸具有比金属集流体更高的稳定性,可以用作更高平台正极材料的集流体。
　　另外,我们制备了几种新型的正极材料,对其作为可充镁电池正极材料的电化学性能进行了研究。
　　通过制备PTMA并掺杂石墨烯后得到PTMA/石墨烯复合材料,利用石墨烯网状三维结构提高材料的导电能力,并利用PTMA自由基的氧化还原反应达到储能目的。该复合材料作为可充镁电池正极材料首次放电比容量可达到209.8 mAh·g-1。具有醌类结构的化合物 PTCDA首次放电比容量为201.7 mAh·g-1。但有机物正极的循环性能较差,可能源自有机物自身的部分溶解或结构的破坏,通过设计和寻找更多具有储镁性能的有机物材料,可以扩宽可充镁电池正极材料的选择范围。
　　通过将硫与碳炔混合加热制得了多硫化碳炔材料,碳炔结构作为主链大大提高了材料的导电性能,而多硫结构作为副链能提供较大的比容量。多硫化碳炔作为可充镁电池正极材料首次放电比容量为327.7 mAh·g-1,并且有良好的循环性能,选用更稳定的集流体和电解液有望进一步提高其电化学性能。
　　利用聚苯乙烯胶晶模板制备了三维有序结构的Mg1.03Mn0.97SiO4。结果表明,不同的前驱体对最终产物的形貌会有很大影响。当以醋酸盐作为前驱体时,需要在更高的温度下(900℃)才能制备出晶型良好的Mg1.03Mn0.97SiO4,多孔结构很难保持;当使用硝酸盐作为前驱体时,可以在更低的温度(700℃)下制备出晶型良好的Mg1.03Mn0.97SiO4,而且能够保持最终产物中有序的多孔结构。三维有序结构的Mg1.03Mn0.97SiO4放电比容量为71.4 mAh·g-1,大于通过普通溶胶-凝胶法制备的Mg1.03Mn0.97SiO4(31.2 mAh·g-1),这是因为材料具有较大的孔隙率,有利于电解液的完全浸入,其较薄的孔壁缩短了M g2+反应过程中的扩散路径,减小了反应过程中的扩散阻力,从而提高了其电化学性能。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 可充镁电池工作原理及主要存在问题

1.3 可充镁电池正极材料

1.4 可充镁电池电解液

1.5 二次电池集流体

1.6 论文选题依据及主要研究内容

第二章 集流体对可充镁电池电解液电化学性能的影响

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2. 4 本章小结

第三章 可充镁电池新型正极材料研究

3.1引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4本章小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文和专利