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锌镍二次电池添加剂及负极活性物质的研究

作　者: 曾冬青
导　师: 杨占红
学　校: 中南大学
专　业: 应用化学
关键词: 锌镍电池锌负极镍正极铟掺杂氧化锌添加剂
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 74次
引　用: 1次
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内容摘要

锌镍二次电池因比能量高、比功率大、价格低廉、环保等优点而倍受关注,这些优点也使得锌镍二次电池成为新一代绿色动力电池的有力竞争者。然而,在中国,锌镍二次电池的产业化受到不小阻力,最主要的原因就是该类电池循环寿命短。研究发现,锌镍二次电池的循环寿命短主要源于锌负极的固有缺陷,如电极变形、枝晶生长、自腐蚀、钝化等。这些缺点的根源在于锌负极活性物质氧化锌在碱性电解液中的溶解和反复充放电过程中锌的不均匀分布。此外,镍正极的电性能也在相当程度上制约着锌负极的性能发挥。为此,本论文考察了不同锌负极添加剂对锌镍电池的影响,成功制备并引入铟掺杂氧化锌作为锌负极活性物质,系统研究了该材料的电化学性能,对不同镍正极添加剂在密封锌镍电池的使用性能进行了研究,运用电化学方法研究了不同电解液添加剂对锌负极的影响,此外,对锌镍电池的特殊充电方式-二段式充电方式进行了新的考察。对锌负极添加剂的研究表明,锌负极同时加入十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、Na2SO3能改善密封锌镍电池的充放电性能和循环性能,添加六次甲基四胺(HT)能提高电池的高温储存性能,但放电过程受到一定的阻碍。采用共沉淀法制备了铟掺杂氧化锌。X射线衍射分析(XRD)测试表明所制备的材料为结晶性良好的纤锌矿结构,扫描电镜(SEM)显示铟掺杂氧化锌为粒径大小不一的片状形貌,X射线能谱(EDS)结果表明样品中铟的掺杂量为2.5 wt%(以In203计)。以该氧化锌材料作为负极活性物质得到的锌镍电池的初始放电容量为569mAh g-1,73次循环后的容量保持率为95.2%。对镍正极添加剂的研究发现,Ba(OH)2、CeO2能有效改善电池的充放电性能和循环性能,提高密封锌镍电池的高温存储性能。而正极中加入ZnO的效果并不明显,加入8b203则对电池性能具有很强的破坏作用。不同电解液添加剂对锌负极的研究表明,Na2C2O4、Na3PO4均会抑制锌镍二次电池的充放电容量,但却使电池有相对较高的充放电效率,电池的自放电率大为降低。通过循环伏安(CV)、交流阻抗(EIS)、塔菲尔极化的测试表明,这两种添加剂对锌镍二次电池锌负极有很重要的影响。对锌镍电池的特殊充电方式-二段式充电方式的研究说明,不同恒压值、同充电时间二段式充电方式(DCV-SCT)下,如果锌镍电池存在过充现象,充电电流曲线会出现平台,并且随着恒压值的增加,充电电流平台出现的时间提前,平台电流更大。不同恒压值、同充电率二段式充电方式(DCV-SSC)下锌镍电池的充电电流呈现出与前者相同的规律,但因恒压值增加而造成的电池性能之间的差别减小。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-26
  1.1 引言  10-11
  1.2 锌镍二次电池简介  11-15
    1.2.1 锌镍二次电池的工作原理  11-13
    1.2.2 锌镍二次电池的组成  13-15
  1.3 锌镍二次电池的研究现状  15-17
    1.3.1 国外锌镍二次电池的研究现状  16
    1.3.2 国内锌镍二次电池的研究现状  16-17
  1.4 锌镍二次电池面临的主要问题  17-21
    1.4.1 锌负极的主要问题  17-19
    1.4.2 镍正极的主要问题  19-20
    1.4.3 锌镍二次电池的自放电问题  20-21
  1.5 锌镍二次电池的改进措施  21-24
    1.5.1 锌负极的改进  21-23
    1.5.2 镍正极的改进  23
    1.5.3 电解液的改进  23
    1.5.4 隔膜的改进  23-24
    1.5.5 充电制度的改进  24
  1.6 本课题的研究意义和内容  24-26
第二章实验研究内容与方法  26-33
  2.1 主要药品试剂和仪器设备  26-28
    2.1.1 主要药品试剂  26-27
    2.1.2 主要仪器设备  27-28
  2.2 实验用密封圆柱形锌镍二次电池的制作  28-29
    2.2.1 镍正极的制作  28
    2.2.2 锌负极的制作  28
    2.2.3 电解液的配制  28
    2.2.4 密封圆柱形锌镍二次电池的组装  28-29
  2.3 密封圆柱形锌镍二次电池性能的测试  29-30
    2.3.1 密封圆柱形锌镍二次电池的化成与充放电性能测试  29
    2.3.2 密封圆柱形锌镍二次电池的自放电性能测试  29-30
  2.4 铟掺杂氧化锌的制备及性能测试  30-31
    2.4.1 铟掺杂氧化锌的制备  30
    2.4.2 铟掺杂氧化锌的表征  30-31
    2.4.3 铟掺杂氧化锌的电化学性能测试  31
  2.5 电解液添加剂的电化学性能测试  31-33
    2.5.1 CV、EIS测试  31-32
    2.5.2 Tafel极化测试  32-33
第三章锌负极添加剂及活性物质的改性研究  33-46
  3.1 锌负极添加剂对密封圆柱形锌镍二次电池性能的影响  33-37
    3.1.1 锌负极添加剂对电池充放电性能的影响  33-35
    3.1.2 锌负极添加剂对电池循环性能的影响  35-36
    3.1.3 锌负极添加剂对电池自放电性能的影响  36-37
  3.2 铟掺杂氧化锌作为锌镍二次电池负极活性物质的研究  37-45
    3.2.1 铟掺杂氧化锌的XRD分析  37-38
    3.2.2 铟掺杂氧化锌的Raman分析  38-40
    3.2.3 铟掺杂氧化锌的SEM表征、EDS分析  40
    3.2.4 氧化锌电极的循环伏安测试  40-43
    3.2.5 氧化锌电极的交流阻抗测试  43-44
    3.2.6 恒流充放测试  44
    3.2.7 循环寿命测试  44-45
  3.3 本章小结  45-46
第四章镍正极添加剂对锌镍二次电池性能的影响  46-55
  4.1 镍正极添加剂Ba(OH)_2、ZnO对密封圆柱形锌镍二次电池性能的影响  46-50
    4.1.1 镍正极添加剂对电池充电性能的影响  46-47
    4.1.2 镍正极添加剂对电池放电性能的影响  47-48
    4.1.3 镍正极添加剂对电池循环性能的影响  48-49
    4.1.4 镍正极添加剂对电池自放电性能的影响  49-50
  4.2 镍正极添加剂CeO_2、Sb_2O_3对密封圆柱形锌镍二次电池性能的影响  50-54
    4.2.1 镍正极添加剂对电池充电性能的影响  50-51
    4.2.2 镍正极添加剂对电池放电性能的影响  51-52
    4.2.3 镍正极添加剂对电池循环性能的影响  52-53
    4.2.4 镍正极添加剂对电池自放电性能的影响  53-54
  4.3 本章小结  54-55
第五章密封圆柱形锌镍二次电池中电解液的研究  55-62
  5.1 电解液用量对密封圆柱形锌镍二次电池循环性能的影响  55-56
  5.2 电解液添加剂对锌镍二次电池性能的影响  56-61
    5.2.1 电解液添加剂对锌电极电化学性能的影响  56-58
    5.2.2 电解液添加剂对密封圆柱形锌镍二次电池性能的影响  58-61
  5.3 本章小结  61-62
第六章充电制度对锌镍二次电池性能的影响  62-67
  6.1 DCV-SCT充电方式对密封圆柱形锌镍二次电池性能的影响  62-64
    6.1.1 DCV-SCT充电方式对电池充电电流的影响  62-63
    6.1.2 DCV-SCT充电方式对电池循环性能的影响  63-64
  6.2 DCV-SSC充电方式对密封圆柱形锌镍二次电池性能的影响  64-66
    6.2.1 DCV-SSC充电方式对电池充电电流的影响  64-65
    6.2.2 DCV-SSC充电方式对电池循环性能的影响  65-66
  6.3 本章小结  66-67
第七章结论  67-68
参考文献  68-76
致谢  76-77
攻读硕士学位期间主要的研究成果  77

锌镍二次电池添加剂及负极活性物质的研究

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