电解质水溶液中Zn-PANI二次电池的研究

发布时间：2017-09-09 01:18

  本文关键词：电解质水溶液中Zn-PANI二次电池的研究

  更多相关文章： 锌 锌枝晶 聚苯胺 二次电池 电解质水溶液

【摘要】：现如今世界的能源危机不断,环境污染又日益严重,发现和创造绿色无污染、安全稳定、成本低廉、适合普及推广的高性能电池是极其需要的。而锌-聚苯胺电池恰好满足以上要求,只是聚苯胺电池的技术尚未成熟,离工业化以及大规模的产业化都还有一段距离。因此对聚苯胺电池的研究和对其性能的改进还在不断的探索中。为此,本论文做了如下工作。本文首先通过循环伏安、交流阻抗、动电位极化等方法主要对比了聚苯胺电极及锌电极分别在硫酸根(SO42-)和氯离子(Cl-)电解质水溶液中,添加一定浓度添加剂后的电化学性质,选择其中性能相对较好的电解液体系进行研究。研究表明：在添加剂的作用下,含Cl-的电解质水溶液中不仅聚苯胺的降解能在一定程度上得到抑制,而且锌电极在其中也不易发生自腐蚀现象。同时,在该体系中,通过循环伏安、交流阻抗、三维表面轮廓仪等表征手段,探究了电解液的pH值以及成份配比对锌电极的性能影响。实验结果表明：在电解液pH约为4.0,氯化锌(ZnCl2)浓度为0.20 mol dm-3,氯化铵(NH4CI)浓度为0.50mol dm-3时,锌电极的电化学性能、稳定性以及体系的可逆性最佳。在C1-浓度相同的体系中,我们通过红外、紫外、XRD以及形貌表征等表征方式对比分析了聚苯胺的不同合成方式对聚苯胺结构的影响。发现合成方式的改变对聚苯胺的结构不会造成影响。在氯离子体系电解液中,通过循环伏安、交流阻抗等方法,探讨出聚苯胺电极最合适的电解质水溶液的pH范围,再对比其分别在不同浓度配比的电解质水溶液中的电化学性质,选择出最佳的电解液配比。实验结果显示,聚苯胺电极在电解液pH约为4.0, ZnCl3浓度为0.20 mol dm-3, NH4Cl浓度为0.50 mol dm-3时能发挥最好的电化学活性。这与锌电极对电解液配比要求的条件一致。然后在最佳配比的电解液中通过循环伏安、交流阻抗等方法测试了聚苯胺的性能。研究了不同集流体材料:400目不锈钢、50目不锈钢、0.5mm超薄石墨纸和0.3mm超薄石墨纸的性能。采用循环伏安,电化学交流阻抗以及动电位极化等手段,对比了不同的空白集流体在电解液中的化学和电化学稳定性。然后以化学氧化法合成的聚苯胺为止极材料,打磨后的锌片为负极材料,以0.20 mol dm-3r (ZnCl2)+0.50 mol dm-3 NH4Cl为电解液,组装锌-聚苯胺二次电池,重点研究了不同的充电上限电压、放电下限电压、恒压时间、电流密度、隔膜以及酸浓度等条件对锌-聚苯胺二次电池的充放电性能影响。得出最合适的充放电条件：充电上限电势为1.5 V,放电下限电势为0.7 V,恒压时间为1 min,电流密度为50 mA g-1,以吸水纸为隔膜,电解液pH 4.0时,锌-聚苯胺电池的放电比容量最高可达78.2 mAh g-1。锌-聚苯胺二次电池在充放电1000次循环后电池的库伦效率仍高达100%,而且在负极材料锌片的表面也没有发现锌枝晶。
【关键词】：锌 锌枝晶 聚苯胺 二次电池 电解质水溶液
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912;O646
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-11
• 第一章 绪论11-31
• 1.1 化学电池简介11-13
• 1.1.1 原电池(一次电池)11
• 1.1.2 蓄电池(二次电池)11-13
• 1.1.2.1 铅酸蓄电池12
• 1.1.2.2 镉-镍蓄电池12
• 1.1.2.3 镍-氢蓄电池12-13
• 1.1.2.4 锂离子电池13
• 1.2 聚苯胺简介13-18
• 1.2.1 导电聚合物简介13-14
• 1.2.2 聚苯胺结构以及导电机理14-15
• 1.2.3 聚苯胺的合成方法15-16
• 1.2.3.1 化学氧化聚合15-16
• 1.2.3.2 电化学聚合16
• 1.2.4 聚苯胺的性质及应用16-17
• 1.2.4.1 二次电池材料16-17
• 1.2.4.2 防腐与防静电材料17
• 1.2.4.3 传感器材料17
• 1.2.4.4 其他17
• 1.2.5 聚苯胺的降解研究简介17-18
• 1.3 聚苯胺电池简介18-20
• 1.3.1 锂-聚苯胺电池18-19
• 1.3.2 镁-聚苯胺电池19
• 1.3.3 锌-聚苯胺电池19-20
• 1.4 锌-聚苯胺电池组成20-21
• 1.4.1 正极-聚苯胺20
• 1.4.2 负极-锌片20
• 1.4.3 集流体20
• 1.4.4 隔膜20
• 1.4.5 电解液20-21
• 1.4.5.1 有机电解液21
• 1.4.5.2 电解质水溶液21
• 1.5 国内外研究进展21-22
• 1.6 本论文的研究目的及主要内容22-23
• 参考文献23-31
• 第二章 锌-聚苯胺电池的电解质水溶液性质研究31-53
• 2.1 实验部分32-35
• 2.1.1 试剂及仪器32-33
• 2.1.2 正极材料-聚苯胺制备33
• 2.1.3 负极材料-锌电极制备33-34
• 2.1.4 电解液配置34
• 2.1.5 电池的组装34
• 2.1.6 不同体系电解液中锌电极及聚苯胺的性能对比34-35
• 2.1.6.1 循环伏安表征34
• 2.1.6.2 电化学阻抗表征34
• 2.1.6.3 动电位极化表征34-35
• 2.1.6.4 形貌表征35
• 2.1.7 不同配比电解质水溶液中锌电极的性能对比35
• 2.1.7.1 不同配比电解质水溶液中锌电极的循环伏安测试35
• 2.1.7.2 不同配比电解质水溶液中锌电极的电化学阻抗测试35
• 2.2 结果与讨论35-49
• 2.2.1 不同体系电解液电化学性能对比35-39
• 2.2.2 电解液对锌电极的性质影响39-49
• 2.2.2.1 电解液的pH对锌电极性质影响39-41
• 2.2.2.2 电解液中ZnCl_2浓度对锌电极性质影响41-42
• 2.2.2.3 电解液中NH_4Cl浓度对锌电极性质影响42-44
• 2.2.2.4 电解液中H_2A浓度对锌电极性质影响44-46
• 2.2.2.5 电解液中Na_2A浓度对锌电极性质影响46-48
• 2.2.2.6 电解液中Na_3B浓度对锌电极性质影响48-49
• 2.3 本章小结49-50
• 参考文献50-53
• 第三章 氯离子电解质水溶液中聚苯胺性质研究53-74
• 3.1 实验部分54-57
• 3.1.1 试剂及仪器54-55
• 3.1.2 聚苯胺的合成55-56
• 3.1.2.1 聚苯胺的的电化学合成55
• 3.1.2.2 聚苯胺的的化学合成55-56
• 3.1.3 聚苯胺的结构表征56
• 3.1.3.1 红外表征56
• 3.1.3.2 紫外表征56
• 3.1.3.3 XRD表征56
• 3.1.3.4 形貌表征56
• 3.1.4 电解液的配置56-57
• 3.1.5 不同配比电解质水溶液中聚苯胺的性能对比57
• 3.1.5.1 不同配比电解质水溶液中聚苯胺的循环伏安测试57
• 3.1.5.2 不同配比电解质水溶液中聚苯胺的电化学阻抗测试57
• 3.1.6 聚苯胺在电解质水溶液中的性能测试57
• 3.1.6.1 聚苯胺在电解质水溶液中的循环伏安测试57
• 3.1.6.2 聚苯胺在电解质水溶液中的电化学阻抗测试57
• 3.2 结果与讨论57-71
• 3.2.1 聚苯胺的电化学合成57-58
• 3.2.2 聚苯胺的性质表征58-61
• 3.2.2.1 红外表征58-59
• 3.2.2.2 紫外表征59-60
• 3.2.2.3 XRD表征60
• 3.2.2.4 形貌表征60-61
• 3.2.3 电解液对聚苯胺的性质影响61-69
• 3.2.3.1 电解液的pH对聚苯胺性质影响61-62
• 3.2.3.2 电解液中氯化锌浓度对聚苯胺性质影响62-63
• 3.2.3.3 电解液中氯化铵浓度对聚苯胺性质影响63-65
• 3.2.3.4 电解液中H_2A浓度对聚苯胺性质影响65-66
• 3.2.3.5 电解液中Na_2A浓度对聚苯胺性质影响66-68
• 3.2.3.6 电解液中Na_3B浓度对聚苯胺性质影响68-69
• 3.2.4 聚苯胺在电解液中的性质69-71
• 3.2.4.1 聚苯胺在电解液中的循环伏安图69-70
• 3.2.4.2 聚苯胺在电解液中的电化学阻抗图70-71
• 3.3 本章小结71
• 参考文献71-74
• 第四章 锌-聚苯胺二次电池的充放电性能研究74-91
• 4.1 实验部分75-78
• 4.1.1 试剂及仪器75-76
• 4.1.2 电极制备76-77
• 4.1.2.1 正极材料-聚苯胺76
• 4.1.2.2 负极材料-锌片76-77
• 4.1.3 电解液配置77
• 4.1.4 电池的组装77
• 4.1.5 样品表征77-78
• 4.1.5.1 循环伏安表征77
• 4.1.5.2 电化学阻抗表征77-78
• 4.1.5.3 动电位极化表征78
• 4.1.5.4 充放电测试78
• 4.1.5.5 形貌表征78
• 4.2 结果与讨论78-88
• 4.2.1 电池集流体的性质78-80
• 4.2.1.1 循环伏安表征78-79
• 4.2.1.2 交流阻抗表征79-80
• 4.2.1.3 塔菲尔曲线表征80
• 4.2.2 锌-聚苯胺二次电池的充放电性能研究80-86
• 4.2.2.1 充电上限电势对充放电性能的影响80-81
• 4.2.2.2 放电下限电势对充放电性能的影响81-82
• 4.2.2.3 恒压时间对充放电性能的影响82-83
• 4.2.2.4 电流密度对充放电性能的影响83-84
• 4.2.2.5 隔膜材料对充放电性能的影响84-85
• 4.2.2.6 电解液pH值对充放电性能的影响85-86
• 4.2.3 锌-聚苯胺二次电池的循环性能研究86-88
• 4.2.3.1 电池在1000次充放电循环后的性能变化86-87
• 4.2.3.2 电池在1000次充放电循环后负极的表面形貌87-88
• 4.3 本章小结88
• 参考文献88-91
• 结论91-92
• 致谢92-93
• 硕士期间研究成果93-94

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