锌镍二次电池锌负极材料的研究

发布时间：2017-07-16 00:18

  本文关键词：锌镍二次电池锌负极材料的研究

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【摘要】：人类社会的不断发展导致人们对于能源的需求量与日俱增,加之煤炭、石油等不可再生能源的濒临枯竭,对于清洁环保、可持续利用的新能源的研究就显得至关紧要。就目前的发展情况来看,研究人员将工作重心放在太阳能电池、二次电池、燃料电池和超级电容器等方向上,力求在这些领域取得更大的进展。在众多新型能源中,锌镍二次电池因其具有较高的工作电压、高比能量、高比功率、低成本以及绿色环保等优点使之成为高能绿色电源的代表之一,也因此被越来越来的研究人员所重视。目前,制约锌镍二次电池市场化发展的重要因素是其较短的循环寿命和放电性能不够优秀,还很难和锂离子电池以及镍氢、镍镉等二次电池相竞争。这其中最重要的内部因素就是锌镍二次电池锌负极的主要活性物质ZnO为两性氧化物,在碱性电解液中具有较高的溶解度,并且充放电过程中会有锌枝晶的生成造成极板形变甚至内部短路。因此,众多研究人员都在此问题上做出努力,尝试各种修饰手段提升锌负极的电化学性能。但是在提升材料性能的基础上,影响材料商业化应用的一个重要因素—装填密度往往被研究人员所忽视。据相关报导,锌镍二次电池通常采用负极过量正极限量的制作模式,因此负极活性物质的装填密度很大程度上决定着电池制作的成本。在本文中提出振实密度—这一决定材料装填密度的直接因素,尝试从合成方法入手制备出高振实密度的负极活性物质,将其应用于锌负极中,深入探讨材料形成机理,从实用化和应用角度出发,综合提升锌镍二次电池的电化学性能。主要工作包括以下三个方面:首次通过一种简易的络合沉淀的合成方法,制备出了具有高振实密度的氧化锌微米球将其应用于锌镍二次电池锌负极材料中,并且通过实验证实其具有较高的体积比容量和优秀的循环性能。经过对高振实密度ZnO微米球进行物理性质以及电化学性能的测试之后发现,制得的氧化锌微米球振实密度可到3.00gcm-3,是商业用ZnO振实密度的三倍之多。并且和商业用ZnO相比,所制得的球形ZnO具有更优秀的电化学性能,这其中包括:更高的体积比容量、更优秀的高倍率性能以及循环性能。在0.2C倍率和2C倍率下,制得的ZnO微米球所释放出的体积比容量分别为1450m Ahcm-3和1110mAhcm-3,这一结果同样是商业用ZnO的三倍之多。研究表明,这些性能方面的改进主要是由于其独特的密集球形微米结构,导致其拥有着更优秀的循环可逆性、出色的抗腐蚀能力、更低的电荷转移阻抗以及更优秀的抑制负极板形变的能力。由于其简易的制备方法以及出色的电化学性能,合成出的这种高振实密度ZnO样品对于制作高性能的锌镍二次电池来说是一种非常有前景的负极材料。本章实验重点在于成功利用制备出的高振实密度ZnO微米球为前驱体,借鉴锂离子电池正极材料碳包覆的修饰手段,并且首次提出原位覆碳、双层碳膜的修饰理念,以葡萄糖为碳源对前驱体进行材料改性。将高振实密度ZnO微米球、煅烧后的ZnO微米球、N2保护下煅烧后的ZnO微米球、N2保护下经葡萄糖碳包覆的ZnO微米球四种样品进行对比,通过四种样品的物理性质以及电化学性能的测试后发现,经葡萄糖碳包覆的具有双层碳膜的ZnO微米球不仅具有2.56gcm-3的振实密度,而且在1C放电倍率下,200次循环过后仍能保持418mAhg-1的放电容量,是其最高放电容量475 mAhg-1的88%,远远高于其余三种样品,其高倍率性能同样高于其余三种样品。经过对其进行形貌表征以及一系列的电性能测试后,发现这些性能的提升主要是由于其球形表面具有双层碳膜的修饰作用,从而提升了材料的导电性,减小了电极反应过程中的极化,降低了电池内阻,抑制了ZnO在碱性电解液中的溶解度。借鉴高振实密度氧化锌的研究思路,探讨了不同形貌ZnO前驱体对锌酸钙形成的影响。尝试以高振实密度ZnO微米球为前驱体用一种简易的化学沉淀的方法制备出同样高振实密度,结晶度良好的锌酸钙晶体。并辅以商业ZnO前驱体制备出的锌酸钙作为对比,对两种锌酸钙样品进行扫描电镜(SEM)形貌表征,X射线衍射(XRD)测试,振实密度测量以及电化学性能测试并对结果进行分析,发现以ZnO为前驱体合成锌酸钙是一个溶解重组的过程,得到的锌酸钙晶体和初始形貌没有关系。虽然本次试验没有达到预期目的,但是探究过程中了解到了锌酸钙的形成机理,为以后对锌酸钙进行改性,提高材料性能打下良好的基础。
【关键词】：锌镍二次电池 高振实密度ZnO 二次碳包覆 锌酸钙
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 锌镍二次电池简介12-19
• 1.2.1 锌镍电池的工作原理12-14
• 1.2.2 锌镍二次电池的结构14-15
• 1.2.3 锌镍二次电池的研究历史与现状15-16
• 1.2.4 锌镍二次电池存在的主要问题16-18
• 1.2.5 锌镍二次电池的改进方向18-19
• 1.3 本文的研究目的、意义和内容19-21
• 第二章 络合沉淀法制备高振实密度ZnO微米球作为Zn-Ni二次电池负极材料21-35
• 2.1 引言21-23
• 2.2 实验23-24
• 2.2.1 ZnO微米球的合成23
• 2.2.2 结构表征23
• 2.2.3 电化学测试23-24
• 2.3 结果与讨论24-34
• 2.3.1 两种ZnO材料的形貌表征24-29
• 2.3.2 电化学测试29-34
• 2.4 结论34-35
• 第三章 二次碳包覆的高振实密度ZnO微米球材料在锌镍电池中的应用35-49
• 3.1 引言35-36
• 3.2 实验36-38
• 3.2.1 ZnO微米球的合成36
• 3.2.2 一层碳膜和二次碳包覆ZnO微米球的制备36
• 3.2.3 结构表征36-37
• 3.2.4 电化学测试37-38
• 3.3 结果与讨论38-47
• 3.3.1 形貌表征38-41
• 3.3.2 电化学测试41-47
• 3.4.结论47-49
• 第四章 探究不同形貌ZnO前驱体对锌酸钙形成的影响49-57
• 4.1 引言49-50
• 4.2 实验50-51
• 4.2.1 锌酸钙的制备50
• 4.2.2 两种锌酸钙样品的结构表征50
• 4.2.3 两种锌酸钙样品的电性能测试50-51
• 4.3 结果与讨论51-55
• 4.3.1 两种锌酸钙样品的XRD表征51-52
• 4.3.2 两种锌酸钙样品的形貌（SEM）表征52-53
• 4.3.3 两种锌酸钙样品的振实密度测试53
• 4.3.4 两种锌酸钙样品的电性能测试53-55
• 4.4 结论55-57
• 第五章 结论与展望57-59
• 参考文献59-65
• 致谢65-67
• 攻读学位期间发表的学术论文目录67-68

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