鋅鎳二次電池鋅負(fù)極材料的研究.pdf

1、人類社會(huì)的不斷發(fā)展導(dǎo)致人們對(duì)于能源的需求量與日俱增，加之煤炭、石油等不可再生能源的瀕臨枯竭，對(duì)于清潔環(huán)保、可持續(xù)利用的新能源的研究就顯得至關(guān)緊要。就目前的發(fā)展情況來看，研究人員將工作重心放在太陽能電池、二次電池(又稱充電電池或蓄電池)、燃料電池和超級(jí)電容器等方向上，力求在這些領(lǐng)域取得更大的進(jìn)展。在眾多新型能源中，鋅鎳二次電池因其具有較高的工作電壓、高比能量、高比功率、低成本以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)使之成為高能綠色電源的代表之一，也因此被越來越

2、來的研究人員所重視。
　　目前，制約鋅鎳二次電池市場(chǎng)化發(fā)展的重要因素是其較短的循環(huán)壽命和放電性能不夠優(yōu)秀，還很難和鋰離子電池以及鎳氫、鎳鎘等二次電池相競(jìng)爭(zhēng)。這其中最重要的內(nèi)部因素就是鋅鎳二次電池鋅負(fù)極的主要活性物質(zhì)ZnO為兩性氧化物，在堿性電解液中具有較高的溶解度，并且充放電過程中會(huì)有鋅枝晶的生成造成極板形變甚至內(nèi)部短路。因此，眾多研究人員都在此問題上做出努力，嘗試各種修飾手段提升鋅負(fù)極的電化學(xué)性能。但是在提升材料性能的基礎(chǔ)上，影

3、響材料商業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)重要因素—裝填密度往往被研究人員所忽視。據(jù)相關(guān)報(bào)導(dǎo)，鋅鎳二次電池通常采用負(fù)極過量正極限量的制作模式，因此負(fù)極活性物質(zhì)的裝填密度很大程度上決定著電池制作的成本。在本文中提出振實(shí)密度—這一決定材料裝填密度的直接因素，嘗試從合成方法入手制備出高振實(shí)密度的負(fù)極活性物質(zhì)，將其應(yīng)用于鋅負(fù)極中，深入探討材料形成機(jī)理，從實(shí)用化和應(yīng)用角度出發(fā)，綜合提升鋅鎳二次電池的電化學(xué)性能。主要工作包括以下三個(gè)方面:
　　首次通過一種簡(jiǎn)易的

4、絡(luò)合沉淀的合成方法，制備出了具有高振實(shí)密度的氧化鋅微米球?qū)⑵鋺?yīng)用于鋅鎳二次電池鋅負(fù)極材料中，并且通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)其具有較高的體積比容量和優(yōu)秀的循環(huán)性能。經(jīng)過對(duì)高振實(shí)密度ZnO微米球進(jìn)行物理性質(zhì)以及電化學(xué)性能的測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)，制得的氧化鋅微米球振實(shí)密度可到3.00gcm-3，是商業(yè)用ZnO振實(shí)密度的三倍之多。并且和商業(yè)用ZnO相比，所制得的球形ZnO具有更優(yōu)秀的電化學(xué)性能，這其中包括:更高的體積比容量、更優(yōu)秀的高倍率性能以及循環(huán)性能。在0.2C

5、倍率和2C倍率下，制得的ZnO微米球所釋放出的體積比容量分別為1450mAhcm-3和1110mAhcm-3，這一結(jié)果同樣是商業(yè)用ZnO的三倍之多。研究表明，這些性能方面的改進(jìn)主要是由于其獨(dú)特的密集球形微米結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其擁有著更優(yōu)秀的循環(huán)可逆性、出色的抗腐蝕能力、更低的電荷轉(zhuǎn)移阻抗以及更優(yōu)秀的抑制負(fù)極板形變的能力。由于其簡(jiǎn)易的制備方法以及出色的電化學(xué)性能，合成出的這種高振實(shí)密度ZnO樣品對(duì)于制作高性能的鋅鎳二次電池來說是一種非常有前景的負(fù)

6、極材料。
　　本章實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于成功利用制備出的高振實(shí)密度ZnO微米球?yàn)榍膀?qū)體，借鑒鋰離子電池正極材料碳包覆的修飾手段，并且首次提出原位覆碳、雙層碳膜的修飾理念，以葡萄糖為碳源對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行材料改性。將高振實(shí)密度ZnO微米球、煅燒后的ZnO微米球、N2保護(hù)下煅燒后的ZnO微米球、N2保護(hù)下經(jīng)葡萄糖碳包覆的ZnO微米球四種樣品進(jìn)行對(duì)比，通過四種樣品的物理性質(zhì)以及電化學(xué)性能的測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)葡萄糖碳包覆的具有雙層碳膜的ZnO微米球不僅具有2

7、.56gcm-3的振實(shí)密度，而且在1C放電倍率下，200次循環(huán)過后仍能保持418mAhg-1的放電容量，是其最高放電容量475 mAhg-1的88％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余三種樣品，其高倍率性能同樣高于其余三種樣品。經(jīng)過對(duì)其進(jìn)行形貌表征以及一系列的電性能測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)這些性能的提升主要是由于其球形表面具有雙層碳膜的修飾作用，從而提升了材料的導(dǎo)電性，減小了電極反應(yīng)過程中的極化，降低了電池內(nèi)阻，抑制了ZnO在堿性電解液中的溶解度。
　　借鑒高振實(shí)

8、密度氧化鋅的研究思路，探討了不同形貌ZnO前驅(qū)體對(duì)鋅酸鈣形成的影響。嘗試以高振實(shí)密度ZnO微米球?yàn)榍膀?qū)體用一種簡(jiǎn)易的化學(xué)沉淀的方法制備出同樣高振實(shí)密度，結(jié)晶度良好的鋅酸鈣晶體。并輔以商業(yè)ZnO前驅(qū)體制備出的鋅酸鈣作為對(duì)比，對(duì)兩種鋅酸鈣樣品進(jìn)行掃描電鏡(SEM)形貌表征，X射線衍射(XRD)測(cè)試，振實(shí)密度測(cè)量以及電化學(xué)性能測(cè)試并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)以ZnO為前驅(qū)體合成鋅酸鈣是一個(gè)溶解重組的過程，得到的鋅酸鈣晶體和初始形貌沒有關(guān)系。雖然本次