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密封锌镍电池产业化关键问题的研究

作　者: 胡俊
导　师: 杨占红
学　校: 中南大学
专　业: 应用化学
关键词: 锌镍电池锌负极添加剂包覆电解液
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本论文简要回顾了化学电源和锌镍电池的发展历史,重点阐述了二次锌镍电池的特点、主要存在的问题及相关解决途径、发展状况和未来的市场前景。研究了锌负极添加剂与电解液无机类添加剂对密封锌镍电池的电化学性能和循环使用寿命的影响。TEM测试考察了表面包覆有氧化铟和二氧化硅的氧化锌的形貌,XRD分析证实了氧化锌表面包覆物为氧化铟和二氧化硅,极化曲线和充放电测试研究了包覆后的氧化锌的电化学性能。通过锌负极的制备工艺性与充放电测试对负极粘结剂进行了研究,考察了电解液的组成成分与电解液的浓度对锌镍电池的循环寿命与自放电性能的影响,还考察了锌镍电池的装配比、正负极极片尺寸、集流体与外壳等工艺对锌镍电池性能的影响。对不同的锌负极添加剂的研究表明,添加三聚磷酸钠+全氟表面活性剂、三聚磷酸钠+十二烷基苯磺酸钠、三聚磷酸钠+全氟表面活性剂的锌负极的放电性能有所提高,其中采用全氟表面活性剂与十二烷基苯磺酸钠复配的电池表现出较好的充放电循环性能。对不同的电解液无机添加剂的研究表明,电解液中分别添加适量亚硫酸钠、四硼酸钠和磷酸氢二钠,能够有效改善电池的充放电性能,提高电池的容量保持率。同时添加适量磷酸氢二钠和亚硫酸钠很好的抑制了锌的溶解腐蚀,减少了锌负极形变,延缓了锌负极的钝化。采用化学沉积法制备了表面包覆有氧化铟、二氧化硅的氧化锌。XRD证实了表面包覆物为氧化铟、二氧化硅。TEM图像显示了样品形貌的变化。极化曲线和充放电测试表明包覆后的氧化锌具有较好的耐腐蚀性和电化学性能。对锌负极的粘合剂的研究发现,采用0.4%的羟丙基甲基纤维素(HPMC)与1.5%的丁苯橡胶(SBR)粘合剂的锌镍电池具有更长的循环寿命和更好的存储性能。对电解液的组成的实验表明,采用KOH、NaOH、LiOH的三元电解液提高了电池的充放电效率,延长了电池的循环寿命,提高了电池的荷电保持能力,但增大了密封锌镍电池的内阻。对电解液的浓度的实验表明,采用浓度为7 mol/L的电解液的电池充电时的极化较小,放电效率较高,同时延长了锌镍电池的循环寿命。本实验对锌镍电池的工艺进行了初步研究。研究表明,采用88%的装配比,能降低电池充电时的极化和电池的内阻。正负极极片尺寸在宽度保持一致的情况下,提高了负极活性物质的利用率,有效的延长了锌镍电池的循环寿命,在最终容量衰减到初始容量的80%时,循环寿命达到了328次。在负极集流体铜网的尾部焊接铜箔和在钢壳上镀铜均能提高电池的荷电保持率,相比之下,在钢壳上镀铜的效果更好,设计容量为400 mAh的电池在高温50℃下存储7天后放电容量达到311.306 mAh,自放电率降低到22.17%。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章文献综述  10-28
  1.1 化学电源的发展历史和现状  10-11
  1.2 锌镍电池的研究  11-26
    1.2.1 锌镍电池的特点  12-14
    1.2.2 锌镍电池的工作原理  14-15
    1.2.3 锌镍电池的发展现状  15-17
    1.2.4 锌镍电池存在的主要问题  17-20
      1.2.4.1 锌负极存在的问题  17-19
      1.2.4.2 镍正极存在的主要问题  19
      1.2.4.3 气胀和漏液现象的产生  19
      1.2.4.4 工艺及其控制的问题  19-20
    1.2.5 解决锌镍电池存在问题的途径  20-26
      1.2.5.1 锌电极的改进  20-22
      1.2.5.2 镍正极的改进  22
      1.2.5.3 锌镍电池工艺上的改进  22-23
      1.2.5.4 锌镍电池发展的机遇与市场前景  23-26
  1.3 本文研究的意义、内容和目的  26-28
第二章实验研究内容与方法  28-35
  2.1 主要药品试剂和仪器设备  28-29
    2.1.1 主要药品试剂  28-29
    2.1.2 主要仪器设备  29
  2.2 实验用密封圆柱型锌镍电池电极的制作  29-33
    2.2.1 镍正极的制备  29-30
    2.2.2 锌负极的制备  30-31
    2.2.3 电解液的配制  31-32
    2.2.4 密封圆柱型锌镍电池的组装  32-33
    2.2.5 表面包覆有氧化锢的氧化锌的制备  33
    2.2.6 表面包覆有二氧化硅的氧化锌的制备  33
    2.2.7 包覆后的氧化锌的性能测试  33
  2.3 电池测试  33-35
    2.3.1 恒电流充放电测试  33-34
    2.3.2 自放电测试  34-35
第三章密封锌镍电池负极添加剂与电解液无机添加剂的研究  35-45
  3.1 不同负极添加剂对密封锌镍电池的影响  36-40
    3.1.1 不同负极添加剂对密封电池的充电电压的影响  36-37
    3.1.2 不同负极添加剂对密封电池的放电电压的影响  37-38
    3.1.3 不同负极添加剂对密封电池充放电过程内阻的影响  38-39
    3.1.4 不同负极添加剂对密封电池循环寿命的影响  39-40
  3.2 不同电解液无机添加剂对密封锌镍电池的影响  40-43
    3.2.1 密封电池的充电曲线  40-41
    3.2.2 密封电池充电内阻  41
    3.2.3 密封电池的放电电压曲线  41-42
    3.2.4 密封电池放电过程的内阻曲线  42
    3.2.5 密封锌镍电池的循环寿命  42-43
  3.3 本章小结  43-45
第四章 ZnO的表面包覆和性质  45-55
  4.1 表面包覆氧化锢的氧化锌的制备和性质  45-49
    4.1.1 氧化锌的TEM表征  45-46
    4.1.2 氧化锌的X射线衍射分析  46
    4.1.3 锌负极的极化曲线与开路电压曲线  46-47
    4.1.4 密封电池的高温存储性能  47-48
    4.1.5 密封电池的循环寿命曲线  48-49
  4.2 表面包覆二氧化硅的氧化锌的制备和性质  49-54
    4.2.1 氧化锌的TEM表征  49-50
    4.2.2 氧化锌的X射线衍射分析  50
    4.2.3 锌负极的极化曲线与开路电压曲线  50-51
    4.2.4 密封电池的高温存储性能  51-52
    4.2.5 密封电池的内阻曲线  52-53
    4.2.6 密封电池的循环寿命曲线  53-54
  4.3 本章小结  54-55
第五章负极粘结剂对密封锌镍电池的影响  55-60
  5.1 不同粘结剂对锌负极制备工艺性的影响  55-56
  5.2 不同粘结剂对密封锌镍电池充放电性能的影响  56-57
  5.3 不同粘结剂对密封锌镍电池内阻的影响  57
  5.4 不同粘结剂对密封锌镍电池循环寿命的影响  57-58
  5.5 不同粘结剂对密封锌镍电池高温存储性能的影响  58-59
  5.6 本章小结  59-60
第六章电解液组成及其浓度对密封锌镍电池的影响  60-67
  6.1 电解液不同组成成分对密封锌镍电池的影响  60-63
    6.1.1 不同电解液组成对密封锌镍电池充电电压的影响  60
    6.1.2 不同电解液组成对密封锌镍电池放电电压的影响  60-61
    6.1.3 不同电解液组成对密封锌镍电池内阻的影响  61
    6.1.4 不同电解液组成对密封锌镍电池循环寿命的影响  61-62
    6.1.5 不同电解液组成对密封锌镍电池高温存储性能的影响  62-63
  6.2 电解液浓度对密封锌镍电池的影响  63-66
    6.2.1 不同电解液对密封锌镍电池充电电压的影响  63-64
    6.2.2 不同电解液对密封锌镍电池放电电压的影响  64
    6.2.3 不同电解液对密封锌镍电池充放电内阻的影响  64-65
    6.2.4 不同电解液对密封锌镍电池循环寿命的影响  65
    6.2.5 不同电解液对密封锌镍电池高温存储性能的影响  65-66
  6.3 本章小结  66-67
第七章密封锌镍电池的工艺研究  67-72
  7.1 密封锌镍电池的装配比  67-68
    7.1.1 不同密封锌镍电池的充电电压  67-68
    7.1.2 不同密封锌镍电池的放电内阻  68
  7.2 密封锌镍电池的正负极极片尺寸  68-69
  7.3 密封锌镍电池的负极集流体及外壳设计  69-71
    7.3.1 不同密封锌镍电池的高温储存电压曲线  70
    7.3.2 不同密封锌镍电池的存储后放电电压曲线  70-71
  7.4 本章小结  71-72
第八章结论  72-73
参考文献  73-79
致谢  79-80
附录:攻读学位期间主要的研究成果  80

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