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Zn/PANI二次电池的制备及其性能研究

作 者: 马兆玲
导 师: 阚锦晴
学 校: 扬州大学
专 业: 物理化学
关键词: 聚苯胺 废水 Fenton试剂 二次电池 离子液体 锌枝
分类号: TM912
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


面对不断加深的能源危机和日益严重的环境污染,人类对能源的利用管理逐渐受到重视。相比于锂离子电池和传统的铅酸蓄电池,具有绿色、无污染、安全、成本低廉的Zn/PANI二次电池更具有开发潜力。Zn/PANI二次电池存在着一些亟待解决的问题。首先,充电时容易形成锌枝,戳穿隔膜,造成短路。其次,电池过充电造成聚苯胺过氧化,降低电池容量和循环寿命。针对这些问题,本论文做了如下工作。采用化学氧化法,通过在反应液中加入不同浓度氯化锌和不同体积分数的乙醇合成具有不同形貌的锌离子掺杂的聚苯胺(PANI/Zn2+)。所得12种聚苯胺样品用扫描电镜、红外光谱、紫外光谱、X-射线粉末衍射、热重分析、四探针法多种测试方法对聚苯胺的形貌、结构等性质进行了表征。结果证明:(1)锌离子和乙醇的加入都能影响聚苯胺的形貌,乙醇有利于聚苯胺棒状形貌形成,锌离子能够促进聚苯胺形成纳米小粒子;(2)聚苯胺样(PANI/Zn2+)呈现部分结晶,骨架链热分解发生在550℃附近,比PANI/HCl热稳定性好;(3)当氯化锌浓度为0.1mol·L-1(n氯化锌:n苯胺=1:3)时,获得的聚苯胺电导率高,样PANI-3电导率最高,可达5.18S·cm-1。以样PANI-1产生的聚苯胺废水为例,采用Fenton联用活性炭法共同处理聚苯胺废水。先用Fenton试剂处理,再用Ca(OH)调节pH至中性,最后用活性炭脱去水样中的颜色。以聚苯胺废水紫外光谱图中285nm处的吸收峰吸光度作为废水中有机物浓度的定量监测依据。水样中的化学耗氧量(COD)通过重铬酸钾法来测定,二次蒸馏水做为空白样。实验表明,Fenton试剂的最佳处理条件是浓度分别为0.8mo1·L-1的FeSO4·7H2O和H202,反应时间50min,反应温度19℃,pH1.1。处理前后水样的COD值分别为1512mg·L-1和56mg·L-1,化学耗氧量移除率达到96%。根据文献合成咪唑离子液体1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯(EMIES)。以8%(v/v)EMIES水溶液为溶剂,配制四种电解液:(a)1mol·L-1ZnCl2/2mol·L-1NH4C (NH4OH调节pH)、(b)1mol·L-1ZnCl2/2mol·L-1NH4C1(10mol·L-1KOH调节pH)、(c)0.5mol·L-ZnCl2/1mol·L-1NH4Cl (NH4OH调节pH)、(d)0.5mol·L-1ZnCl2/1mol·L-1NH4Cl (10mol·L-1KOH调节pH)来研究正负极材料在电解液中的电化学性质。选取正极材料PANI-4、PANI-8、PANI-9、PANI-11,测试它们在电解液中的循环伏安图,考察锌离子浓度和乙醇体积分数对聚苯胺电化学活性的影响。在四种电解液中,分别在锌的还原电位下沉积60s得到四种锌沉积物,但仅在电解液(a)中得到的锌沉积物紧实致密,没有尖锐的棱角,说明离子液体的添加有利于电池充电时避免锌枝产生。此外阻抗谱图表明,用NH4OH调节pH的电解液电阻小,电解液(a)的溶液电阻仅为2.56Ω,在该电解液中聚苯胺样主要在0.0~0.2V(vs.SCE)之间发生氧化反应。以PANI/Zn2+为正极材料,锌粉为负极材料,1.0mol·L-1ZnCl2/2.0mol·L-1NH4Cl (NH4OH调节pH)(8%(v/v)EMIES水溶液为溶剂)为电解液,浆层纸为隔膜,制成柱状Zn/PANI二次电池。通过考察电解液pH、恒压时间、电流密度、充电上限电压对电池性能的影响,最终得出在1.3~0.7V范围内充放电、恒压时间5min、电解液pH4.0~4.5、电流密度50mA·g-1条件下充放电,电池容量衰减最小,电池循环效率始终保持在100%附近。在最佳条件下,通过进一步实验,讨论合成条件对放电比容量的影响。结果发现:当反应液中含10%(v/v)乙醇,n氯化锌:n苯胺=1:3时,合成的聚苯胺PANI-11比容量最高,维持在80mAh·g-1左右。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
第一章 前言  9-24
  1.1 锌-聚苯胺二次电池简介  9-11
  1.2 导电聚合物简介  11-15
    1.2.1 结构特征与导电机制  11-14
    1.2.2 聚苯胺的合成  14
    1.2.3 聚苯胺在二次电池中的应用  14-15
  1.3 离子液体简述  15-19
    1.3.1 离子液体的特点  16
    1.3.2 常见离子液体的分类  16-17
    1.3.3 离子液体的合成  17-18
    1.3.4 离子液体在电化学中的应用  18-19
  1.4 国内外研究现状  19-20
  1.5 本论文工作目的  20
  参考文献  20-24
第二章 聚苯胺的制备及废水处理  24-45
  2.1 实验部分  25-28
    2.1.1 实验试剂与仪器  25
    2.1.2 聚苯胺的制备  25-26
    2.1.3 样品的表征  26-28
    2.1.4 聚苯胺废水处理  28
  2.2 结果与讨论  28-42
    2.2.1 聚苯胺形貌  28-31
    2.2.2 聚苯胺电导率  31-32
    2.2.3 红外光谱  32-33
    2.2.4 紫外光谱  33-34
    2.2.5 掺杂机理  34-35
    2.2.6 X-射线衍射图  35-36
    2.2.7 热稳定性分析  36-37
    2.2.8 聚苯胺废水处理  37-42
  2.3 本章总结  42
  参考文献  42-45
第三章 正负极材料在电解液中电化学性质研究  45-67
  3.1 实验部分  46-50
    3.1.1 试剂与仪器  46
    3.1.2 N-甲基咪唑硫酸乙酯(EMIES)的制备及性能表征  46-47
    3.1.3 聚苯胺膜的制备  47
    3.1.4 电解液的配制  47
    3.1.5 电化学性能测试和锌的电沉积  47-50
  3.2 结果与讨论  50-63
    3.2.1 EMIES的红外光谱图  50
    3.2.2 EMIES的电化学窗口  50-51
    3.2.3 聚苯胺在电解液中的循环伏安  51-55
    3.2.4 电解液的循环伏安图及锌的电沉积  55-58
    3.2.5 正负极材料在电解液中的阻抗谱(EIS)  58-63
  3.3 本章结论  63-64
  参考文献  64-67
第四章 锌-聚苯胺二次电池的组装及性能测试  67-78
  4.1 实验部分  68-69
    4.1.1 试剂与仪器  68
    4.1.2 电池的组装及测试  68-69
  4.2 结果与讨论  69-76
    4.2.1 不同pH对电池开路电势的影响  69-70
    4.2.2 不同恒压时间对电池性能的影响  70-71
    4.2.3 电流密度对电池性能的影响  71-73
    4.2.4 不同电压上限对电池性能的影响  73-75
    4.2.5 聚苯胺合成条件对循环性能的影响  75-76
  4.3 本章结论  76
  参考文献  76-78
结论  78-80
硕士期间发表论文硕士期间发表的论文  80-81
致谢  81-82

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术(直接发电) > 蓄电池
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