水系锌离子二次电池正极材料的制备及其性能文献调研开题报告

1.1 研究背景

环境污染和能源短缺是人类面临的两个严重挑战。不可再生的煤、石油、天然气等石化燃料终将逐渐耗竭，全球生态系统也会遭受严重破坏。大力发展新能源技术、发展新型绿色、高效能量转换与高密度的储能材料及器件、高效利用新能源（如太阳能、风能、水能以及地热能），是全人类共同关注的问题和发展的必然趋势。

作为高效的储能方式，二次电池储能系统受到各国政府及企业的高度关注和重视，并在储能工业中占据核心地位。铅酸电池、镍镉电池、钠硫电池、锂离子电池等电池技术的研究已进行了几十年。尽管这些二次电池技术已经取得了许多突破，但在科技日新月异的今天，电池的性能仍然不能令人满意。锂离子电池作为目前最先进的商业储能设备，由于其可充电性和高能量密度而被成功应用于便携电子、新能源汽车、大规模储能等领域。但是锂离子电池锂枝晶及有机电解质的安全问题和锂资源的稀缺性所造成的成本问题也推进着其可替代能源储存装置的发展。钠离子电池、镁离子电池、铝离子电池、锌离子电池、超级电容器等新储能体系慢慢引起了人们的注意，已经成为下一代储能研究的重点。其中，锌元素凭借其良好的与水兼容性、丰富的天然含量、相对较低的还原电势和高理论容量等优点，这使得锌离子电池引起了科学家的广泛关注。

从市场来看，蓄电池市场巨大，涉及家用储能电源、商用车辆动力电池、数据中心储能、农场储能、新能源储能、电网储能电站等等。到目前为止，电网储能电站除了锂离子电池外没有其它合理的电池选择，锂离子电池固有的易燃性使得电池储能设施故障事故频发，使安全在一定程度上成为了公众选择电池的标准。目前，铅酸在数据中心不间断电源(UPS)的全球市场中占有97%的份额。UPS可以忍受铅酸循环寿命很短，因为UPS不应该经常循环，而且数据中心不能因为电池的安全问题而丢失数据，因为铅酸不太可能发生爆炸。但是，由于铅酸的能量密度很低，在30 W·h/kg左右，导致UPS太重，无法安装在普通大楼的高层，增加了成本。因此，能量密度是铅酸的3到5倍的水系电池在UPS市场上是很有竞争力的。对于电网储能，市场渗透的先决条件是电池提供一个较长的周期寿命，可以与锂离子电池相媲美，因为理想的储能设施可以使用几十年，并且需要最少的维护。可充电水电池具有成本低、使用安全等优点，是一种极具发展前景的电网级电化学储能电池。此外，与非水电解质相比，水电解质具有更高的离子导电性，由于传统储能技术带来的环境污染和能源危机，人们对高能量密度、低成本的环保型电网储能设备的需求不断增加，各种水系储能系统得到了快速发展。其中，水系锌离子电池由于成本低、安全性高、材料来源丰富等优点，使其在储能方面具有广阔的应用前景，而成为锌离子电池研究的重点。

2.2 研究目的和意义

几十年来，锂离子电池因其高效能、高电压、长循环寿命等优点被广泛应用于商业储能装置。然而，高成本、高安全性等问题严重阻碍了锂离子电池的大规模应用。近年来，大量的研究工作集中在利用天然丰富的单价离子(Na 、K )和多价阳离子(Zn² 、Mg² 、Al³ )作为电荷载体的水系可充电电池。

锌离子电池作为二次锌基电池,通常以金属锌作为负极,以含有Zn² 的水溶液作为电解液,正极材料多种多样,目前有锰基化合物、钒基化合物普鲁士蓝类似物等。以二氧化锰为例，锌离子电池的工作原理是Zn² 在金属锌的表面上沉积和溶解,在正极结构中进行嵌人和脱嵌来充放电:充电时,锌离子从二氧化锰的隧道结构中脱出，通过隔膜移动到负极周围,得到电子并沉积在锌电极表面.放电时锌失去电子变成Zn² 并嵌入二氧化锰结构中。综合多价离子的脱嵌特性，结合目前已报导的锌离子电池正极材料(二氧化锰、五氧化二钒和普鲁士蓝衍生物)的晶体结构特点等，可以认为锌离子电池正极材料需要有隧道结构或层间距较大的电极材料，如过渡金属氧化物中的层状钒氧化物、钼氧化物和锰氧化物等。因此锌离子电池不仅具有高功率密度能够实现快速充放电，而且还具有高能量密度。将来锌离子电池会在大型储能应用中有很好的应用价值和发展

目前锌离子电池的研究受到一定的局限性，主要受限于锌离子电池正极材料的选择。结构稳定并能提供高容量的正极材料是锌离子电池中所必要的并且二价锌离子脱嵌过程中要存在强静电相互作用，对正极材料的选择有了更高的要求，目前正极材料主要有锰基化合物、钒基化合物和普鲁士蓝类化合物等。其中，锰基化合物具有高放电容量和比能量，但是锰溶解和倍率性能欠缺的问题；钒基化合物具有高比功率、良好的倍率性能和循环特性，但放电电压过低；普鲁士蓝类化合物比容量较低，但有较高的放电电压。由此可见，以开发的正极材料均存在一些问题，因此，结构稳定并能提供高容量的正极材料是锌离子电池研究的关键；另外，如何解决锌离子在脱嵌过程中的强静电相互作用也是设计合成正极材料应该重点考虑的问题。开发出有利于锌离子快速脱嵌的高性能正极对于水系锌离子电池技术的研发和产业化具有重要意义。