锌—聚苯胺电池的电化学性能及装配方式研究

发布时间：2020-03-27 07:47

【摘要】：随着社会和经济可持续的发展,能源作为人们生活和生产中不可缺少的重要组成部分,在推动社会发展的同时,也同样存在着环境污染的问题。因此,研究绿色高效的新能源解决人们长期以来面临的能源短缺问题是科学研究者关注的热点。锌-聚苯胺电池作为一种新型的将化学能转化为电能的储能器件,具有绿色环保、价格低廉、比能量高等优点,被认为是极具开发潜力的绿色新能源。然而,锌-聚苯胺电池由于存在一些固有的问题,迄今为止都未能实现商业化生产,主要问题有负极锌析氢腐蚀和锌枝晶的生长、正极聚苯胺的过充降解和其集流体易腐蚀等。本论文主要以锌-聚苯胺二次电池工业化生产的目的出发,从聚苯胺的合成成本和电池装配方式,开展了以下工作:(1)采用化学氧化聚合的方法,分别以自来水、去离子水、二次蒸馏水为溶剂合成聚苯胺。通过红外、紫外、多晶X射线、电子扫描电镜等表征手段对三种水合成的聚苯胺结构性质和形貌进行研究,结果表明,不同常用水的性质对聚苯胺的结构没有明显影响。其次,采用循环伏安、交流阻抗、单电极充放电等电化学方法对三种聚苯胺的电化学性能进行研究测试,实验结果表明,以自来水、去离子水、二次蒸馏水为溶剂合成聚苯胺的电化学性能在实验误差范围内没有明显差别。最后,以三种聚苯胺为正极材料,锌片为负极材料,组装成电池,对其进行电池性能测试,当溶剂为自来水时,锌-聚苯胺电池的放电比容量最大为108 mAh g~(-1),而溶剂分别为去离子水、二次蒸馏水时,锌-聚苯胺电池的容量分别为106 mAh g~(-1) 和107 mAh g~(-1),这说明自来水作为溶剂合成的聚苯胺应用在锌-聚苯胺电池中具有极大的开发前景。(2)基于自来水合成的聚苯胺为电池的正极材料,锌片为负极材料,主要是对锌-聚苯胺二次电池的装配方式进行研究,设计了八种不同的锌-聚苯胺电池的装配方法。首先,对每种电池的装配方法和过程进行了详细的介绍,然后对这八种装配方式的锌-聚苯胺电池进行充放电性能测试,并且对电池的性能失效进行分析和总结。从电池的充放电结果可以得到,袋装式锌-聚苯胺电池(即第六种装配方式)在连续60个循环周期内最大放电比容量达到81 mAhg~(-1),并且库伦效率都接近于100%,而其余七种装置方式的电池得到的最低放电比容量和库伦效率为 12.7 mAh g~(-1)、35.7 mAh g~(-1)、50.6 mAh g~(-1) 59.3 mAh g~(-1)、16.4 mAh g~(-1)、25.4 mAh g~(-1) 12.2 mAh g~(-1) 和 6%、97%、97%、98.8%、2.8%、2.6%、98%(按第一到第八种排序),说明袋装式锌-聚苯胺电池具有良好的充放电性能。(3)袋装式锌-聚苯胺二次电池的研究主要是对关键工艺进行优化,主要包括:隔膜材料的选择、电解液的pH、正极极耳材料、乙炔黑和石墨粉的添加量、正极材料质量和成型压力、充放电倍率。根据实验结果得到最佳的袋装式锌-聚苯胺电池的工艺参数:隔膜为一层PE隔膜;电解液的pH为4.2;正极极耳材料为铜箔;乙炔黑和石墨粉的添加量为10%和5%;正极材料的质量为0.15 g;成型压力为6 MPa;在充放电倍率为0.1 C时,电池的放电比容量最高达到108.7 mAh g~(-1),并且库伦效率也保持在100%左右,这远远高于期望的容量值,当对应的充放电倍率为0.2 C、0.3 C、0.5 C、1C时最大放电比容量依次为99.1 mAh g~(-1)、90 mAh g~(-1) 77.8 mAh g~(-1)、64.7 mAhg g~(-1),库伦效率也都接近100%。最后,做出循环性能和库伦效率都比较好的袋装式锌-聚苯胺电池,至少达到500次的充放电循环寿命,且负极锌片表面没有锌枝晶的生成。
【图文】：

光谱图,实验装置图,聚苯胺,二次蒸馏

逑聚苯胺粉末邋＜——筛子筛选逦＜——邋研磨逦＜——邋供千逦＜——无逡逑图２．２聚苯胺的化学氧化合成路线逡逑２．１．３不同水合成的聚苯胺的表征逡逑２．１．３」聚苯胺的红外表征（ＦＴ－ＩＲ）逡逑分别取适量自来水、去离子水、二次蒸馏水化学氧化合成的聚苯胺粉末与溴化钾（ＫＢｒ）逡逑混合，置于玛瑙研抌中进行研磨，在红外压片机模具中压片成型，测定三种聚苯胺的红外逡逑光谱图（波长测量范围为４０００？４００邋ｃｍ—１）。逡逑２．１．３．２聚苯胺的紫外表征（ＵＶ－ｖｉｓ）逡逑取适量用Ｎ，Ｎ－二甲基甲酰胺（ＤＭＦ）分别溶解自来水、去离子水、二次蒸馏水化学氧逡逑化合成的聚苯胺粉末，超声１５邋ｍｉｎ，时测样品均勾分散^u来，然后在２００？８００邋ｎｍ的波长逡逑范围内测定这三种聚苯胺的紫外光谱图。逡逑

红外光谱图,聚苯胺,红外光谱图

图２．４聚苯胺的红外光谱图逡逑２．２．１．２聚苯胺的紫外表征逡逑图２．５是不同水合成的聚苯胺的紫外光谱图，曲线ａ，ｂ，ｃ分别是自来水、去离子水逡逑和二次水合成的聚苯胺的紫外光谱图。从图中可以看出，三条曲线皆有两个很明显的峰，逡逑且形状基本一致。在３３０邋ｎｍ处有一个较强的吸收峰，这是聚苯胺典型的一个吸收峰，是逡逑由于共轭苯环的Ｔｉ—７１＊跃迁引起的。而在６３０邋ｎｍ处同样存在着一个强峰，这是聚苯胺的另逡逑一个典型的吸收峰，这是对应的苯环上醌式结构的跃迁，是由于在掺杂的聚苯胺中极化子逡逑／双极化子跃迁的极化子吸收引起的［１３］。可以看出，曲线（ａ）和（ｂ）峰的基本一样，，但是逡逑曲线（ｃ）的峰高明显低于曲线（ａ）和（ｂ），这可能是由于测试时聚苯胺样品浓度不同造逡逑成的。从聚苯胺的红外光谱图中可以看出，使用不同的水合成聚苯胺对其结构并没有影响。逡逑／？＼逦—自}rｗ逡逑＼逦一去离子水
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912

【参考文献】