锌离子电池负极用纳米纤维素/锌/炭黑复合薄膜的制备 及其性能研究
1. 背景
随着煤炭等化石资源的日渐枯竭，发展太阳能、风能和水能等可再生能源已经成为全球性趋势[1-2],电池作为高效率无污染的能源转换装置越来越受到人们的重视,如今各种型号和种类的电池已超过1000种,遍布人们日常生活、产业经济、科学技术、军事领域等方方面面,当今社会,手机、电脑、音频播放器等电子产品,火车、汽车、飞机等交通工具,潜艇、导弹等军事装备和武器，都离不开电池技术的发展[3]。然而一次性电池易造成资源浪费,传统铅酸蓄电池又易导致区域性污染严重[4-5]；二次电池中锂离子电池虽然具有较宽的电位窗口,通常能实现高能量密度但其主要以无水有机溶液为电解液,有机溶剂通常有毒且易燃,使得锂离子电池存在高爆炸危险性,而锌在水溶液较稳定,且能量密度高,同时金属锌具有资源丰富,低毒性以及易处理等优点,使其成为二次锌离子水系电池的理想的绿色电池体系。
2. 纳米纤维素概述
作为一种天然可再生资源,纤维素及其衍生材料在国民生产中扮演着重要角色。随着纳米科技的发展,利用化学、物理、酶催化等方法得到一维纳米尺度的纳米纤维素应运而生。纳米纤维素具有高强度,高表面积,低热膨胀系数,易交织成网状结构等特点,使其作为基体材料在柔性屏幕、透明传感器及储能器件方面发展迅速；此外由于纳米材料形态特征的差异性,使得纳米纤维素可与导电活性物质形成不同微观尺度和结构特性的导电复合材料。其中碳材料与纳米纤维素形成的导电复合材料,可作为柔性电极用于柔性电池。纳米纤维素复合材料在光电材料、太阳能电池等领域具有应用价值。正是由于纳米纤维索具有易于成膜与凝胶化、高吸水性,溶胀性生物相容性等特性，才可以作为结构稳定与机械性能优良的载体材料或者骨架支撑材料,并与各类无机或有机纳米材料的特定导电性能相互融合在一起,进面产生具有高导电性,光电转换性,电化学氧化还原特性的特殊功能材料。
3. 锌离子电池的概述
锌离子电池属于二次锌基电池。文献提出alpha;-MnO2的多价态离子储存理论,将锌电极的应用扩展到中性电解液体系。锌离子电池通常以具有大隧道的alpha;-MnO2为正极,充电时,锌离子从正极MnO2隧道结构中脱出[6],在负极锌中沉积；放电时,负极锌失去电子变成锌离子,嵌入到正极MnO2隧道中。其中在电池反应中,正极材料alpha;-MnO2会发生结构变化,转变为尖晶石状的三价锰相(ZnMn2O4)、层状的二价锰相(ZnxMnO2)和隧道型的二价锰相(ZnxMnO2)。在放电完全后,这三种锰相是共存的[7]。由此可见,锌离子电池的本质为 Mn4 、Mn3 和Mn2 的相互转换过程,实现化学能与电能转变。
4. 锌离子电池的优点
(1) 锌离子电池不仅具有高能量密度,而且具有高功率密度,是超级电容器的15倍左右。
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