锌-二氧化锰锌离子电池：一个研究型综合性化学实验的设计与实践

面向国家“双碳战略”需求,结合科技前沿和高校学生科研实践,设计了以低成本和高安全性为主要优势的锌-二氧化锰(Zn-MnO₂)二次电池,并形成了一个标准化的物理化学综合实验。本实验首先通过水热法制备了α-MnO₂,采用X射线衍射和扫描电子显微镜对制得α-MnO₂的结构与形貌进行了表征,随后使用电池测试仪对锌片负极与α-MnO₂正极组装成的Zn-MnO₂锌离子电池进行了循环伏安、倍率和循环稳定性等电化学性能测试。该实验将科研热点转化为综合教学实验,从实验室走进日常生活,集化学材料合成、表征与电池电化学性能测试于一体,实验的不同模块可满足多种教学需求。此外,探究式学习与综合性操作相结合有助于提高学生的实验兴趣及化学实验操作水平;在教学过程中融入思政元素,渗透绿色理念,引导学生形成安全无污染的化学实验意识和可持续发展思想。     

钠离子电池正极材料Na3V2(PO4)2O2F的控制合成与电化学性能优化

采用简单的水热合成法制备氟磷酸钒氧钠(Na_3V_2(PO_4)_2O_2F,简写为NVPOF),通过调节水热反应溶液的pH值和反应温度等关键参数,有效调节NVPOF的颗粒尺寸和均匀性,优化其电化学性能。研究结果显示,性能最优的NVPOF的合成条件是:pH值为7.00±0.05,水热反应温度为170℃。在该条件下合成的NVPOF正极材料具有优异的电化学性能,表现为0.1C(1C=130 mA·g~(-1))的倍率下放电比容量可达123.2 mAh·g~(-1),且在20C的高倍率下仍可实现85.9 mAh·g~(-1)的比容量,在1C下循环200圈后其容量保持率为96.2%,表明该材料具有高容量、优异的倍率和循环性能。所制备的NVPOF颗粒为纳米尺度且具有很高的均匀性,可缩短Na~+的传输路径从而缩短其传输时间,且NVPOF晶体结构具有高稳定性,是一类具有高性能的钠离子电池正极材料。