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碳材料和聚苯胺对超级电池负极性能的影响
作 者: 刘志豪
导 师: 赵力
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 化学工程与技术
关键词: 铅酸电池 超级电池 荷电状态 循环性能 碳材料 导电聚合物
分类号: TM912
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要
电动车能效高,环保清洁,有助于减缓能源危机,降低环境污染和温室效应等。电动车能否广泛使用的关键因素在于动力电源。结合铅酸电池和超级电容器的超级电池功率性能好,充电时间短,价格便宜,高倍率荷电态(HRPSoC)下循环寿命长,适合作为电动车的动力电源。本文主要的工作内容是在负极中加入不同比例的材料,研究对超级电池性能的影响,尤其是HRPSoC下的循环性能。添加材料具体包括电化学活性炭(EAC)、石墨粉(GP)、多壁碳纳米管(MWCNTs)、商业聚苯胺(CPANi)和通过微乳液法合成的聚苯胺(SPANi)及复合物(EAC/PANi、GP/PANi、MWCNTs/PANi)。通过XRD、SEM、线性极化法、计时电流法、循环伏安法、电化学阻抗谱等对添加材料和负极板进行物性表征及电化学性能测试,采用2C充放电制度测试电池的循环性能。在负极中加入0.5mass%EAC的电池可循环7100次,是商业负极板CNP的10倍。通过SEM表征和电化学测试分析循环性能提升的主要原因是EAC粒径小并具有较高的比电容,可均匀分散NAM,缓冲大电流,抑制负极硫酸盐化,提高PbSO4转化为活性铅的效率。GP在负极中的最佳比例为1.5mass%,电池可循环12800次,是CNP的18倍,主要是由于GP导电性良好,可降低大电流时负极的电化学极化并抑制负极硫酸盐化。MWCNTs在负极中的最佳含量是0.1mass%,电池可循环6300次,是CNP的9倍,MWCNT的作用与EAC相近。负极中CAPNi的最佳含量为1.5mass%,电池循环9645次,是CNP的13倍。分析其原因主要是CPANi粒径较小,可以均匀分散NAM,提高其利用率;并且CPANi的疏松多孔,可以存储电解液,利于电极反应的进行;CPANi具有较高的法拉第准电容,可缓冲大电流,抑制PbSO4盐化。SAPNi的最佳比例为0.5mass%,电池循环4786次,约是CNP的7倍。为了进一步研究聚苯胺材料的电容对超级电池性能的影响,在负极中加入10mass%不同类型的聚苯胺,通过CV测试可看到聚苯胺的电容对NAM作用明显,但电池的循环性能没有明显改善,这可能是因为聚苯胺含量高、电导率较活性铅低,使得NAM的电化学极化和浓差极化增大,析氢电流升高。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-10 第1章 绪论 10-28 1.1 引言 10-12 1.2 铅酸电池 12-15 1.2.1 铅酸电池的结构和原理 12-13 1.2.2 铅酸电池的发展历程 13 1.2.3 失效模式和研究现状 13-14 1.2.4 正负极添加剂 14-15 1.3 超级电容器 15-19 1.3.1 超级电容器的工作原理 15-16 1.3.2 电容材料的研究进展 16-19 1.4 超级电池 19-27 1.4.1 超级电池的结构和工作原理 19-23 1.4.2 超级电池负极添加剂的研究进展 23-25 1.4.3 超级电池的应用 25-26 1.4.4 超级电池的问题和改进方法 26-27 1.5 课题来源及主要研究内容 27-28 第2章 实验材料与方法 28-35 2.1 实验材料和试剂 28 2.2 实验仪器设备 28-29 2.3 聚苯胺及复合物的制备 29-30 2.4 材料的物理测试及表征 30-31 2.4.1 X 射线衍射分析测试 30 2.4.2 扫描电子显微镜测试 30 2.4.3 电导率测试 30-31 2.4.4 振实密度测试 31 2.5 电极的制备 31 2.6 电池负极的制备及组装 31-32 2.7 电化学性能测试 32-35 2.7.1 充放电性能测试 32-33 2.7.2 循环伏安法 33 2.7.3 线性扫描伏安法 33-34 2.7.4 计时电流法 34 2.7.5 电化学阻抗谱 34-35 第3章 碳材料对超级电池负极性能的影响 35-63 3.1 碳材料的表征 35-38 3.1.1 活性炭的表征 35-36 3.1.2 石墨粉的表征 36-37 3.1.3 多壁碳纳米管的表征 37-38 3.2 碳材料的电化学性能 38-43 3.2.1 集流体的电化学性能 38-40 3.2.2 碳材料的电化学性能 40-43 3.3 碳材料对负极电化学性能的影响 43-50 3.3.1 空白负极片的电化学性能 43-44 3.3.2 EAC 对负极电化学性能的影响 44-46 3.3.3 GP 对负极电化学性能的影响 46-48 3.3.4 MWCNTs 对负极电化学性能的影响 48-50 3.4 碳材料对电池性能的影响 50-62 3.4.1 商业负极板和空白负极板的性能 50-52 3.4.2 EAC 对电池性能的影响 52-56 3.4.3 GP 对电池性能的影响 56-59 3.4.4 MWCNTs 对电池性能的影响 59-62 3.5 本章小结 62-63 第4章 聚苯胺对超级电池负极性能的影响 63-88 4.1 聚苯胺的表征 63-66 4.1.1 聚苯胺的 XRD 63-64 4.1.2 聚苯胺的 SEM 形貌 64-66 4.2 聚苯胺的电化学性能 66-71 4.3 聚苯胺材料对负极电化学性能的影响 71-77 4.3.1 CPANi 对负极电化学性能的影响 71-73 4.3.2 SPANi 对负极电化学性能的影响 73-75 4.3.3 高比例聚苯胺对负极电化学性能的影响 75-77 4.4 聚苯胺材料对电池性能的影响 77-87 4.4.1 CPANi 对电池性能的影响 77-81 4.4.2 SPANi 对电池性能的影响 81-84 4.4.3 高比例聚苯胺对电池性能的影响 84-87 4.5 本章小结 87-88 第5章 碳材料和聚苯胺的作用机理 88-98 5.1 负极板的电化学阻抗谱分析 88-95 5.1.1 BNP 的电化学阻抗谱 89-90 5.1.2 加入碳材料负极板的电化学阻抗谱 90-92 5.1.3 加入聚苯胺负极板的电化学阻抗谱 92-95 5.2 碳材料和聚苯胺的作用机理 95-97 5.2.1 分散作用和导电作用 95-96 5.2.2 缓冲作用 96-97 5.2.3 存储电解液 97 5.3 本章小结 97-98 结论 98-99 参考文献 99-108 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 108-110 致谢 110
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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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