锌空气电池的关键部件及其多孔导电陶瓷基底负载银阴极的研究
发布时间：2020-10-12 04:55
锌空气电池在所有的金属空气电池中技术相对成熟,具有高的理论比能量(1086Wh·kg~(-1)),平稳的工作电压,又因其锌阳极具有成本低、对环境友好的优势,锌空气电池商业化产品已被广泛应用于无线电通讯、铁路信号和助听器电源等低功率器件市场中(输出功率10 mW),现已逐步尝试将锌空气电池应用于储能行业、电动车行业、便携式电子设备中。本文的研究内容围绕锌空气电池的隔膜、阳极以及阴极三个关键性部件展开;研究不同隔膜对锌空气电池电化学性能的影响;分别将锌粉压片与锌箔作锌阳极组装锌空气电池,探究放电产物的形貌对锌电极利用率的影响;同时,首次采用新型的多孔钴酸锶镧陶瓷基底La_(0.7)Sr_(0.3)CoO_(3-δ)(LSC),负载银(Ag)氧还原催化剂制备锌空气电池的阴极(Ag-LSC),通过调控LSC基底的孔洞、催化剂负载量以及亲疏水通道,提高了锌空气电池的电化学性能及稳定性。玻璃纤维隔膜具有丰富的纤维交叉形成的微孔结构,厚度为0.7 mm,比常用的无纺布聚合物隔膜更厚,对KOH溶液的吸液率是无纺布隔膜的3倍以上。以锌粉压片作阳极、碳纸负载Ag作阴极,与玻璃纤维隔膜组装的锌空气电池开路电压为1.5 V,放电电压平稳,且放电时间比用无纺布隔膜组装的电池更长。但两者锌的利用率比较低,当将不同锌阳极组装成锌空气电池,发现锌箔与锌粉压片的利用率低是由不同的原因导致。锌空气电池放电后,锌箔阳极的表面生成致密的苔藓形貌氧化物,阻碍了内部锌的进一步氧化,从而降低锌的利用率;而锌粉压片阳极的表面放电产物是小针状物聚集成疏松多孔的结构,内部的锌也被氧化,但由于电极比表面积增大,电极中一部分的锌未经过放电而直接被氧化,最终导致阳极利用率低。除此之外,锌粉压片阳极因直接接触铜箔集流体,加速了锌的自腐蚀,从而进一步降低了阳极利用率。在前面电池的两种关键性部件研究的基础上,本文将玻璃纤维隔膜、锌粉阳极与一种新型的Ag-LSC多孔功能陶瓷阴极一起组装成锌空气电池,研究发现,当陶瓷LSC基底的孔隙率为32%且Ag含量为30 mg·cm~(-2)时,在空气氛围下,锌空气电池的最高功率密度可达141 mW·cm~(-2)。并在已优化的Ag-LSC阴极中添加PTFE,改变阴极的亲疏水通道,在同一电流密度5 m A·cm~(-2)下恒流放电,采用等量的阳极锌粉,添加PTFE的阴极制备的锌空气电池放电容量从原来的20 mAh增大到125 m Ah,在锌粉放电结束后更换锌粉,电池还能持续稳定放电。这种新型多孔功能陶瓷LSC基底极大地提高了阴极的电化学反应位点,而且PTFE的加入也使Ag-LSC阴极组装成的锌空气电池寿命得到明显提高。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM911.41
【部分图文】：
锂离子电池等。其中，锂离子动力电池比能量最高，在电动车上占有的重量最小，但价格昂贵。随着新能源汽车的快速扩张，锂离子电池的产量在未来几年将会大幅度增加，然而锂资源储量有限，材料昂贵，虽然锂可以通过湿法冶金回收，但实际上锂离子电池还没被真正地实现大规模回收利用。因此，可持续发展需要探索替代锂离子电池的新动力电池，如锂硫电池、钠离子电池、氧化还原液流电池、金属空气电池等[2]。氢氧燃料电池汽车虽然具有能量转换效率高的优点，但产氢、储氢等关键技术问题以及价格昂贵使其在短期内难以推向市场。于是许多科学家开始把目光转向金属空气电池。金属与氢具有相同活泼化学属性，同样可与氧气发生氧化还原反应，来源广泛，通过电解金属氧化物可以回收电极材料，而且与氢气相比，固态金属更方便储存与运输。锌空气电池属于金属空气电池中的一种，相比于锂离子电池，锌来源广泛，而且锌比锂便宜，其容量大、续航里程长，放电结束后负极产物氧化锌可完全被回收利用，绿色环保，因此锌空气电池适宜用作电动车的动力来源。
华南理工大学硕士学位论文1）水系金属空气电池一般采用强碱性溶液作电解液，活泼金属阳极容易直接与电反应，发生析氢腐蚀，导致金属的实际利用率低；2）金属空气电池由于处于开放系统中，空气中的二氧化碳容易使碱性电解液发生盐化，空气的湿度也会直接影响电池中电解液的浓度变化，影响电池性能；3）二次金属空气电池在充放电过程中，电解液中的金属酸根离子容易扩散到电极的凸出位置后还原，在水性电解液中不规则沉积而形成枝晶，最终穿破隔膜，引起短路；4）长时间放电后，阴极表面会出现裂缝，疏水性下降，导电集流网也会出现一定程腐蚀，从而导致电池的电化学性能下降。
气电池具有高的理论能量密度（1086Wh·kg-1），是以锌作为阳极反应活性氧气作为阴极反应活性物质，一定浓度的碱性溶液作为电解质（如 KOH 溶池放电的原理图如图 1-3 所示，放电时，空气中的氧气进入阴极，氧气从子发生氧还原反应（ORR）O2+ 2H2O + 4e = 4OH 氧根离子因浓度差的趋势往阳极迁移；阳极的锌失去电子被氧化，在强碱根离子形成锌酸盐Zn + 4OH = Zn(OH)42 + 2e 中的锌酸盐过饱和时析出氧化锌Zn(OH)42 = ZnO + H2O + 2OH 2Zn + O2= 2ZnO
【参考文献】
本文编号：2837676
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM911.41
【部分图文】：
锂离子电池等。其中，锂离子动力电池比能量最高，在电动车上占有的重量最小，但价格昂贵。随着新能源汽车的快速扩张，锂离子电池的产量在未来几年将会大幅度增加，然而锂资源储量有限，材料昂贵，虽然锂可以通过湿法冶金回收，但实际上锂离子电池还没被真正地实现大规模回收利用。因此，可持续发展需要探索替代锂离子电池的新动力电池，如锂硫电池、钠离子电池、氧化还原液流电池、金属空气电池等[2]。氢氧燃料电池汽车虽然具有能量转换效率高的优点，但产氢、储氢等关键技术问题以及价格昂贵使其在短期内难以推向市场。于是许多科学家开始把目光转向金属空气电池。金属与氢具有相同活泼化学属性，同样可与氧气发生氧化还原反应，来源广泛，通过电解金属氧化物可以回收电极材料，而且与氢气相比，固态金属更方便储存与运输。锌空气电池属于金属空气电池中的一种，相比于锂离子电池，锌来源广泛，而且锌比锂便宜，其容量大、续航里程长，放电结束后负极产物氧化锌可完全被回收利用，绿色环保，因此锌空气电池适宜用作电动车的动力来源。
华南理工大学硕士学位论文1）水系金属空气电池一般采用强碱性溶液作电解液，活泼金属阳极容易直接与电反应，发生析氢腐蚀，导致金属的实际利用率低；2）金属空气电池由于处于开放系统中，空气中的二氧化碳容易使碱性电解液发生盐化，空气的湿度也会直接影响电池中电解液的浓度变化，影响电池性能；3）二次金属空气电池在充放电过程中，电解液中的金属酸根离子容易扩散到电极的凸出位置后还原，在水性电解液中不规则沉积而形成枝晶，最终穿破隔膜，引起短路；4）长时间放电后，阴极表面会出现裂缝，疏水性下降，导电集流网也会出现一定程腐蚀，从而导致电池的电化学性能下降。
气电池具有高的理论能量密度（1086Wh·kg-1），是以锌作为阳极反应活性氧气作为阴极反应活性物质，一定浓度的碱性溶液作为电解质（如 KOH 溶池放电的原理图如图 1-3 所示，放电时，空气中的氧气进入阴极，氧气从子发生氧还原反应（ORR）O2+ 2H2O + 4e = 4OH 氧根离子因浓度差的趋势往阳极迁移；阳极的锌失去电子被氧化，在强碱根离子形成锌酸盐Zn + 4OH = Zn(OH)42 + 2e 中的锌酸盐过饱和时析出氧化锌Zn(OH)42 = ZnO + H2O + 2OH 2Zn + O2= 2ZnO
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 宋辉;徐献芝;李芬;;锌电极放电过程及失效机制数值分析[J];物理化学学报;2013年09期
本文编号：2837676
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