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摘 要

水系锌离子电池是种新型的电池，在能源存储方向有一定的应用价值。然而在碱性电解液中锌负极存在钝化、枝晶、腐蚀等问题，锌离子电池循环性能很差。本文通过简单的超声辅助化学聚合法，合成了ZnO@PANI核壳结构材料，同时制备了不同苯胺掺量（100mg，150mg，193mg苯胺）的ZnO@PANI负极材料。在扫描电镜观察下这种ZnO@PANI材料具有平整光滑的表面形貌。与传统的ZnO电极相比，ZnO@PANI电极在电化学性能测试中表现出更稳定的放电电压平台，更小的电化学极化，更好的循环稳定性。研究发现，制备的不同苯胺掺量的ZnO@PANI电极性能都不相同，当苯胺掺杂质量为氧化锌质量的25%时，ZnO@PANI负极材料的电化学性能处于最佳值。该氧化锌改性材料制备过程简单，电化学性能优良，对解决锌离子电池负极存在的主要问题具有一定的积极意义。

关键词：水系锌离子电池 ZnO@PANI核壳结构 化学聚合法 苯胺

Research on the performance of ZnO @ PANI as the anode of aqueous zinc ion battery

Abstract

The water-based zinc ion battery is a new type of battery, which has certain application value in the direction of energy storage.In alkaline electrolytes, zinc anodes have problems of passivation, dendrites, and corrosion.In addition, the cycle performance of zinc ion batteries is very poor. In this paper, a simple ultrasound-assisted chemical polymerization method was used to synthesize ZnO @ PANI core-shell structure materials. At the same time, ZnO @ PANI anode materials with different aniline mass(100mg, 150mg, 193mg aniline) were prepared. This ZnO @ PANI material has a flat and smooth surface morphology.Compared with the traditional ZnO electrode, the ZnO @ PANI electrode shows a more stable discharge voltage platform, smaller electrochemical polarization, and better cycle stability in the electrochemical performance test. The study found that the prepared ZnO @ PANI electrodes with different aniline dosages have different properties.When the mass of aniline doped is 25% of the zinc oxide，the electrochemical performance of the ZnO @ PANI anode material is at the optimal value. The zinc oxide modified material has a simple preparation process and excellent electrochemical performance.It will have certain positive significance for solving the main problems existing in the negative electrode of the zinc ion battery.

Key words: Aqueous zinc ion battery; ZnO@PANI core-shell structure; Chemical polymerization method; Aniline

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 水系锌离子电池简介 1

1.2.1 工作原理 1

1.2.2 水系锌离子电池优点 2

1.3 水系锌离子电池正极材料 3

1.4 水系锌离子电池负极材料 4

1.4.1 锌电极优点 4

1.4.2 锌电极存在的问题 5

1.4.3 锌电极的改性方法 6

1.5 水系锌离子电池隔膜材料 8

1.6 本论文主要研究内容 9

第二章 实验部分 10

2.1 实验试剂及设备 10

2.1.1 实验试剂 10

2.1.2 实验设备 10

2.2 正负极材料合成 11

2.2.1 ZnO@PANI负极材料合成 11

2.2.2 NiO正极材料合成 11

2.2.3 ZnO@PANI电极制备 12

2.2.4 NiO电极制备 12

2.3 水系锌离子电池组装 12

2.4 样品表征 12

2.4.1 X射线衍射分析 12

2.4.2 扫描电子显微分析 13

2.5 电化学性能测试 13

2.5.1 循环伏安测试 13

2.5.2 恒电流充放电测试 14

第三章 结果与讨论 15

3.1 表征分析 15

3.1.1 XRD分析 15

3.1.2 SEM分析 16

3.2 电化学性能分析 17

3.2.1 循环伏安测试 17

3.2.2 恒流充放电测试 18

3.3 本章小结 20

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 20

参考文献 21

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

当今世界人们对于能源需求越来越多。传统的化石燃料如煤炭、石油由于储量有限，越来越难以满足人类的能源需求。此外传统燃料燃烧引起的污染问题也引发了人们的普遍注意。开发清洁可持续能源如太阳能、风能、氢能等，对于缓解世界能源危机具有重要意义。可持续能源的贮存与利用离不开高效储能装置的开发，当今市场上应用最广泛的当属锂离子电池。但是锂资源储量少且开采困难、价格昂贵，使得锂离子电池的市场价格居高不下。据资料显示，2014年一千瓦时锂离子电池价格为1500元^[1],约为铅酸电池价格的两倍。此外锂离子电解液一般为有机液体（碳酸乙烯酯，碳酸丙烯酯，碳酸二甲酯），存在较大的安全隐患^[2-3]。采用不易燃的水系电解液能降低电池燃烧的风险。水系电解液的离子电导率约为1 S·cm^-1，比有机电解液高的多^[4-5]，因而水系电池功率密度较高，可以实现快速充放电。水系锌离子电池由于存在成本低，安全性好，对周围环境污染小，功率密度和能量密度高等优势，吸引了研究者的广泛注意。但是，由于存在锌负极存在的一系列问题，锌离子电池性能衰减较快。因此如果能研究出一种循环性能优异的负极材料，能够提高水系锌电的性能，它的应用前景将很广阔。

1.2 水系锌离子电池介绍

1.2.1 工作原理

水系锌离子电池一般以大隧道的α-MnO₂作为正极^[6]，金属锌作为负极，电解质为含Zn² 的中性或者碱性溶液。锌离子电池中锌离子发生如下嵌入/脱嵌反应：放电时，锌负极发生氧化反应生成二价的锌离子，锌离子在碱性或者中性电解液中迁移，然后嵌入到MnO₂隧道结构中。充电时，锌电极发生还原反应，锌离子会从MnO2隧道结构中脱嵌，经过电解液迁移后，然后沉积在金属锌表面。因此锌离子电池类似一种“摇椅式电池”，Zn² 在电池阳极和阴极之间来回穿梭^[7]。

电极反应为^[8]：

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