锌基水滑石类化合物作为锌负极活性材料的研究

For the problem of short cycle life of zinc electrode which is caused by high solubility of discharging product, using the specific feature of LDHs such as controllability of structure units, recoverability of structure, exchangeability of pillar anion, a series of LDHs with different slab cations and pillar anions are prepared by means of intercalation and ion exchange method and used as anodic active materials. A variety of electrochemical analysis tools are employed to systematically study electrochemical process, revealing the mechanism of impacts of LDHs structure and ion constitution, particularly anions, on the eletrochemical properties of zinc electrode. Doping, coating, compositing are used to improve the property of LDHs electrode, combined with thermodynamics and dynamics of the process of electrode reaction, the action mechanisms of modified material are studied. LDHs is one kind of excellent function materials, it is a new attempt to use LDHs as the electrode materials. A new idea for improving the cycle life of zinc electrode is provided,meanwhile,the theoretical basis and experiment basis for LDHs as electrode material are provided.

本项目针对镍锌二次电池中锌负极放电产物易溶于碱性电解液，从而产生的一系列导致电池循环寿命降低的难题，利用水滑石类化合物独特的构筑单元可调控、结构可恢复、柱撑阴离子可交换等性能，拟采用插层和离子交换的方法进行超分子组装，制备含有不同层板阳离子、柱撑阴离子的锌基水滑石，以此作为电极活性材料，应用多种电化学方法系统研究电极的电化学过程，揭示水滑石层状结构及主客体离子组成尤其是客体阴离子对锌电极电化学性能的影响及机理。拟采用掺杂、表面包覆、复合等手段对水滑石电极进行进一步改性，结合电极反应过程的热力学和动力学，探讨改性对电极电化学性能的作用机制。水滑石类化合物是一种优秀的功能材料，将其作为二次电池电极活性材料是全新的尝试，该研究不仅能为锌电极循环寿命的提高提供新思路和新方法，同时也为水滑石类化合物作为电极材料提供了理论依据和实验基础。

锌镍二次电池的锌电极在循环过程中其放电产物在碱性电解液中高度溶解而造成电极形变、锌枝晶的生长以及自腐蚀与钝化等问题，严重影响电池的充放电性能，缩短循环寿命。水滑石类化合物具备主体层板组成和结构的可调控性，层间阴离子的可交换性和在碱性电解液中具有一定的电化学反应活性，对碱性环境比较稳定，不易在碱性电解液中腐蚀溶解的性质；另外，其独特的层板结构可以有效地防止锌离子的逃逸，使锌离子处于受控状态，从而可以有效抑制锌电极的变形和枝晶的生成，显著提高相应电极的循环寿命。通过制备锌锡铝和锌铝铟等不同类型层板阳离子的三元水滑石以及十二烷基硫酸根等不同阴离子插层的水滑石，采用SEM、TEM、IR、XRD等方法对样品进行表征，电化学测试以及循环寿命测试结果表明相对于锌铝二元水滑石，此类水滑石可以有效减缓电极腐蚀和氢气的析出，提高电极活性物质利用率以及增加电池的循环寿命；另外，针对锌铝水滑石导电性不佳的问题，利用表面包覆、复合等手段对其进行改性研究，主要考察了银粒子、聚吡咯、碳纳米管等材料对水滑石性能的影响，交流阻抗分析得出经过此类材料修饰过的水滑石其电荷转移电阻大大减小，提高了放电平台，降低了充电平台，从而大大提高了水滑石的充放电性能和循环寿命；将不同类型的铝基水滑石作为锌镍电池氧化锌电极的添加剂是一种缓解锌电极放电产物易溶于碱液的有效手段，经水热法制备的锌锡铝水滑石及钙铝水滑石进行电化学测试，结果显示此类添加剂有效降低氧化锌的溶解并且抑制锌枝晶的形成，从而极大地提升了氧化锌电极的循环性能；本项目基于锌基水滑石在碱性电解液中的稳定性及其独特的层板结构，将其作为锌负极活性材料具备一定的可行性，解决了电池循环寿命短的问题；若把这种新型负极材料进行商业化生产，将带动和推动环境友好新材料在我国和世界的广泛应用和发展。