薄膜铝空气电池的实验研究

发布时间：2017-07-19 09:19

  本文关键词：薄膜铝空气电池的实验研究

  更多相关文章： 薄膜电池 铝空气电池 凝胶电解质 打印制备方法

【摘要】：随着便携式微型电子设备逐步走进人们的日常生活中，适用于此类电子设备的薄膜电池备受研究者的关注。现有此类电池体系以锌锰电池和锂离子电池体系为主。本实验工作中以金属铝空气电池体系为基础，，研究一种高性能薄膜铝空气电池以及打印工艺的制作制备方法。 薄膜铝空气电池采用了金属铝空气电池的电化学体系，具有很高的能量密度。电解质是电池中重要的成分之一，常规金属空气电池的电解质为碱性溶液，流动性极强，不能用于制作薄膜电池。本文用聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸（PAA）和琼脂分别与氢氧化钾（KOH）溶液结合制得凝胶电解质，代替常规液态电解质用于铝空气电池。实验分析三种电解质的成胶特性，结果表明聚丙烯酸-KOH溶液联合制备的凝胶电解质效果最好。电导率是电解质最重要的性能参数，实验测得当KOH水溶液质量分数为35wt%时，电导率出现峰值为0.698S cm-1。测试不同含量的丙烯酸和KOH混合溶液的电导率值，当KOH质量分数为34wt%（5g丙烯酸）、35wt%（10g丙烯酸）、35wt%（15g丙烯酸）时，电导率分别出现峰值为0.571S cm-1、0.478S cm-1及0.395S cm-1。在KOH质量分数为35wt%时，凝胶电解质的电导率值为0.459S cm-1。宣纸因其特殊的纤维结构被选作为凝胶电解质的机械支撑。在宣纸纤维结构中直接制备一层凝胶电解质，将得到纸基凝胶电解质，既减小了电解质的厚度又增强了凝胶的机械强度。基于上述纸基凝胶电解质制备薄膜铝空气电池并研究其性能。 本文还提出了一种基于打印工艺制备薄膜铝空气电池的制作提出了新方法。电池中电极材料是决定电池性能的重要影响因素，因此本文选用不同的金属电极材料和空气电极材料制备电池并对其性能进行对比。金属电极选用孔隙度为37%铝网和铝箔，两种电极材料的厚度分别为0.4mm和0.12mm。在恒流放电测试中两者性能相似，但就整体厚度和柔韧性而言，选用铝箔作为电池的金属电极更优。空气电极以碳镍多孔电极和碳膜电极作为对比，碳镍多孔电极与空气接触面积充足，而碳膜电极柔韧性好。两种空气电极厚度分别为0.6mm和0.06mm。恒流放电测试的结果表明，碳镍多孔电极的性能较好，但考虑薄膜铝空气电池对柔韧性的要求，选用碳膜电极作为电池的空气电极。本文还提出了一种采用打印工艺，在不锈钢基底表面分别打印碳膜电极和纸基凝胶电解质，最后贴合铝箔金属电极完成薄膜电池样机的制作方法。 本文通过对薄膜铝空气电池的初始形状的恒流放电实验、弯曲形状下的恒流放电实验和电解质补充实验对薄膜铝空气电池的性能进行测试。电池的有效反应面积为4cm2，截止电压为0.7V，最佳电流密度为3mAcm-2，该最佳电流密度下电池的有效工作电压为1.02V，功率密度为3.56mW cm-2。质量能量密度和容量密度分别为867mWhg-1和896mAh g-1。面积能量密度和容量密度分别为1.63mWh cm-2和1.87mWh cm-2。在弯曲的薄膜铝空气在恒流放电实验中，分别将电池贴付在外直径为24.91mm、53.45mm和64.39mm的玻璃器材表面，实验表明不同条件下测得恒流放电曲线与未变形状态下的放电曲线趋势相同。当电流密度为3mAcm-2时，有效工作电压分别为1010mV、995mV和1020mV。功率密度分别为2.3mW cm-2、3mW cm-2和3.125mWh cm-2。实验结果表明薄膜铝空气电池的弯曲程度对电池性能有一定的影响，但是并未阻碍电池的正常放电。在电解质补充实验中，电池第一次放电结束后得到的电池容量为3.6mAh，能量为3.6mWh。补充电解质并充分反应后得到的电池容量和能量分别为5.7mA和5.3mWh。本文提出两种方案用于解决电解质供应不充分的问题，一是设计电池结构，将纸基凝胶电解质封闭在充满KOH分子的空间中，以免因凝胶电解质暴露于空气中干燥而失效。二是用其他纸类如滤纸或打印纸代替宣纸，增加纸基对电解质溶液的吸收量，确保电池可以充分反应。 综上所述，全文围绕薄膜铝空气电池对电池的材料及制作方法进行了研究，制备电池样机并进行电池性能测试。最后，本文提出一种打印薄膜铝空气电池方案及其制备方法，有望应用于各种小型电子设备中。
【关键词】：薄膜电池 铝空气电池 凝胶电解质 打印制备方法
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.41
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 选题背景与研究意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-21
• 1.2.1 薄膜柔性电池应用背景13-15
• 1.2.2 现有薄膜柔性电池电化学体系15-16
• 1.2.3 金属空气燃料电池体系16-18
• 1.2.4 薄膜柔性电池制备工艺18-19
• 1.2.5 凝胶电解质电化学特性19-21
• 1.3 主要研究内容21-23
• 第二章 电池实验及测试原理23-31
• 2.1 金属铝空气电池体系23-24
• 2.2 电池特征参数介绍24-25
• 2.3 化学设备与化学试剂介绍25-27
• 2.4 薄膜凝胶铝空气电池实验测试原理27-29
• 2.5 本章小结29-31
• 第三章 纸基凝胶电解质的性能研究31-40
• 3.1 氢氧化钾电解液的电导率测试31-32
• 3.2 聚乙烯醇凝胶电解质32-33
• 3.3 基于琼脂胶体的碱性电解质33
• 3.4 聚丙烯酸凝胶电解质33-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第四章 薄膜铝空气电池的制备工艺40-50
• 4.1 金属阳极材料的选择与制备40-43
• 4.1.1 薄片铝网阳极的制备40-41
• 4.1.2 铝箔薄膜阳极的制备41-42
• 4.1.3 金属电极的对比试验42-43
• 4.2 空气电极材料的选择与制备43-47
• 4.2.1 常规多孔空气电极的制备44-45
• 4.2.2 打印空气碳膜电极的制备45-46
• 4.2.3 电极的对比试验46-47
• 4.3 样机整体的制备47-48
• 4.4 本章小结48-50
• 第五章 薄膜铝空气电池性能测试50-62
• 5.1 电池样机恒流放电测试50-53
• 5.2 弯曲状态下电池性能测试53-57
• 5.3 电解质补充实验57-60
• 5.4 本章小结60-62
• 第六章 总结与展望62-67
• 6.1 实验工作总结62-65
• 6.2 研究意义及创新点65
• 6.3 后期工作展望65-67
• 参考文献67-72
• 作者简介及科研成果72-73
• 致谢73

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本文编号：562136