【摘 要】
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当今社会对探索出可持续发展的清洁/可再生新能源的需求迫在眉睫。但在此之上,安全,便宜且适合当今社会发展的存储技术也同时是我们所需要考虑的问题。由于高能量密度、高功率密度、循环寿命长、穿戴轻巧方便、长期使用的安全指数高、低廉的成本和环境兼容性这些优点的存在,使得可充电电池在能量存储方面与非水系电池相比仍具有强大的竞争力。其中镍/金属电池是在电池中研究的最广泛的一种电池。早期研究的镍/金属电池有Ni-
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当今社会对探索出可持续发展的清洁/可再生新能源的需求迫在眉睫。但在此之上,安全,便宜且适合当今社会发展的存储技术也同时是我们所需要考虑的问题。由于高能量密度、高功率密度、循环寿命长、穿戴轻巧方便、长期使用的安全指数高、低廉的成本和环境兼容性这些优点的存在,使得可充电电池在能量存储方面与非水系电池相比仍具有强大的竞争力。其中镍/金属电池是在电池中研究的最广泛的一种电池。早期研究的镍/金属电池有Ni-MH、Ni-Cd、Ni-Zn、Ni-Fe、Ni-Co等等,在2015年之后,由于Bi金属作为负极材料拥有比较大的电压窗口,激发了科研人员的极大兴趣,故而Ni-Bi电池慢慢的出现在人们的视野里。但Bi金属在充放电的过程中容易发生体积膨胀,从而导致活性材料脱落,使得Bi负极的循环性能一直都不是很好,从而Ni-Bi电池的电化学性能还有待提高。由于MOF衍生而来的碳基材料具有高比表面积、高电导率以及化学稳定性等优异的特点,故本论文从提高材料的循环性能以及容量出发,通过将正负极材料与碳材料复合的方式,试图以提高电极的电化学性能。采取的策略是先制备相应的MOF前驱体,然后对MOF进行高温碳化,形成我们所需要的正负极材料并进行全电池的组装。其相关的内容如下:（1）首先通过水热的方法在合成Bi-MOF前驱体,然后高温碳化形成Bi2O3@C粉末,该材料是由棒状组成的,其内部的结构为纳米颗粒,颗粒直径在200-400nm之间。在纳米颗粒外表面覆盖了一层碳层,其厚度有助于离子的顺利运输。此外,碳的存在能够提高电极材料的导电性,对于长循环测试的稳定性是有利的。对该材料进行单电极电化学测试,结果表明所制备的Bi2O3@C电极材料作为碱性水系电池的负极时。在2 mA cm-2电流密度下,该材料的面积比容量达到1.62 mAh cm-2。并且在45 mA cm-2电流密度下时,其面积容量仍能保持67.24%。在进行3000圈的长循环测试之后,其容量仍可保持原有的83.16%。（2）同样的也是采用水热的方法合成Ni-MOF前驱体粉末,然后高温碳化形成纳米颗粒组成的片状结构的Ni@C复合正电极材料。电化学性能测试结果表明,Ni@C电极在0.5 mA cm-2的电流密度下面积容量为0.84 mAh cm-2当电流密度缓慢增加到20 mA cm-2时,面积容量为0.58 mAh cm-2,容量保持为原来的76.14%。在进行3000圈长循环测试之后,其面积容量仍能保持为原来的113.46%。说明本次实验设计确实提高了电极的循环性能。最后我们用Ni@C为正极,Bi2O3@C为负极,2 M KOH溶液为电解液,对水系碱性Ni-Bi电池进行了组装。当电流密度为2 mAcm-2时,该电池达到了最大能量密度为1.50mWhcm-2,之所以达到这么高的面积能量密度主要是因为组装成全电池之后所具有的高电容和比较宽的工作电压窗口。当电流密度达到50 mA cm-2时,该电池达到了最大功率密度为9.32 mW cm-2。在5 mA cm-2的电流密度下进行3000次的循环测试,其容量仍保留为原来的73.38%。说明本文组装的全电池在低电流密度下达到了一定的稳定性。
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