锌空气燃料电池的低温性能研究

发布时间：2017-06-05 13:18

  本文关键词：锌空气燃料电池的低温性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着科技的进步和发展,人们越来越享受到新兴移动电子设备的给日出生活带来的便利,同时也更加深刻的意识到环境保护的重要性。电子设备的使用便利建立在持续使用能力的基础上,因此需要大容量的蓄电池来满足持续使用的需求;与此同时,人们也意识到大量汽车尾气的排放是导致环境污染的罪魁祸首之一,越来越多的人开始接受无污染的电动汽车,而电动汽车的续航能力也与其蓄电池容量息息相关。在这样的背景下,发展安全性高、清洁环保、放电性能稳定、比能量大的电源成为了解决这些社会问题的关键。锌空气电池是一种化学燃料电池,通常用KOH水溶液作为电解液,负极采用锌片或压制锌粉作为燃料,正极为空气电极,通过吸收空气中的氧气来反应,因此它的正极占电池整体质量比重很低,电池的比能量相对较高,理论是可以达到1350Wh/kg。正是因为锌空气电池具有比能量高、安全性能好、放电平稳的优点,它获得了广泛的研究。在寒冷环境中,普通电池的使用性能都会受到温度的影响,然而在对锌空气电池在低温环境中的使用性能研究非常少,本文选择研究锌空气电池的低温性能,为其在冬季寒冷环境中的使用提供实验依据。本文首先确定了锌空气电池的制备工艺。确定防水透气层中乙炔黑与聚四氟乙烯的比例为4:6时性能最佳,在350℃环境下热处理2h并随炉冷却即可获得防水透气层。确定空气电极的成型压力为20MPa时,空气电极性能最好。使用浓度为25%、30%、35%和40%KOH电解液的锌空气电池样机在室温环境中,分别采用20m A/、40m A/、60m A/低中高放电电流密度下进行恒流放电实验,发现平均放电电压和锌片利用率随电解液浓度的增大大体都呈现增大趋势。对比了40%浓度KOH电解液的锌空气电池在不同放电电流下的放电特性,发现平均放电电压和放电电荷量随放电电流的增大而降低。研究发现40%KOH电解液的锌空气电池的输出峰值功率为806,对应的放电电流和放电电压分别为1200和672。采用更换锌片电极不更换电解液的方式进行恒流放电实验,发现在此条件下可以连续放电两次,第三次放电性能明显降低,锌片利用率不到20%。测量了不同浓度的KOH溶液在25℃、0℃和-15℃的导电率,发现溶液导电率随溶液浓度的增大呈先增大后降低的趋势,峰值电导率对应的溶液浓度依次为32%、34%和36%,对应的电导率大小分别为0.643 S/cm、0.551 S/cm和0.453 S/cm。将5mol/L和8mol/L KOH电解液的锌空气电池在15℃、0℃和-15℃环境下采用25m A/和50m A/的电流密度进行恒流放电实验,发现相同温度下锌片的利用率随温电解液浓度的增大而增大;相同浓度电解液,不同温度中,0℃环境下的锌片利用率最高,因为适当降低温度可以抑制锌片析氢反应的发生,而进一步降低温度会抑制电极反应的发生进而导致锌片利用率也随之下降;电池的平均放电电压随着温度的降低呈现下降趋势。测量了电池在不同温度下的输出功率,发现0℃环境中的电池输出功率最高。说明适当降低温度(T0℃)并不会降低锌空气电池的使用性能;而在极寒条件下(T0℃),进一步降低温度,锌空气电池的放电电压和锌片利用率也会下降。拆解了A、B两类锌锰干电池的新旧电池,发现锌锰干电池的锌片利用效率不到20%。将干电池的锌片外壳处理后在40%浓度的电解液的锌空气电池上采用500m A放电电流进行恒流放电实验,结果表明放电平均电压可以达到0.9V以上,废旧锌片的再利用率也能达到70%以上。这说明废旧锌锰干电池在锌空气电池上直接二次放电回收再利用具有很强的可行性。
【关键词】：锌空气电池 低温性能 废旧锌锰干电池 低温电导率
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.41
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-34
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 锌空气电池的研究进展13-23
• 1.2.1 锌空气电池原理13-14
• 1.2.2 锌空气电池的优缺点14-17
• 1.2.3 锌空气电池的研究与应用现状17-23
• 1.3 空气电极的研究进展23-28
• 1.3.1 空气电极的工作原理23-25
• 1.3.2 空气电极催化剂的分类研究25-28
• 1.4 常用动力电池的低温性能研究现状28-31
• 1.4.1 锂离子电池的低温性能研究28-29
• 1.4.2 铅蓄电池的低温性能研究29-30
• 1.4.3 镍氢电池的低温性能研究30-31
• 1.5 废旧锌锰干电池的回收利用现状31-32
• 1.6 本文的内容与思路32-34
• 1.6.1 研究内容32
• 1.6.2 研究思路32-34
• 第2章 锌空气电池的制备过程及其常温性能研究34-66
• 2.1 仪器与试剂34-35
• 2.1.1 实验仪器34
• 2.1.2 主要试剂34-35
• 2.2 锌空气电池的制备35-40
• 2.2.1 空气电极的制备35-39
• 2.2.2 锌电极的制备39-40
• 2.2.3 电解液成分的确定40
• 2.3 电池结构设计40-41
• 2.4 空气电极性能研究41-44
• 2.4.1 空气电极的性能测试43-44
• 2.5 单电池样机的放电性能研究44-59
• 2.5.1 电池的结构参数选定44-45
• 2.5.2 电池在不同浓度电解液中的恒流放电性能测试45-56
• 2.5.3 40%电解液不同放电电流密度的放电性能对比56-59
• 2.6 单电池的伏安特性研究59-60
• 2.7 更换锌片电极的电池性能测试60-62
• 2.8 本章小结62-66
• 第3章 锌空气电池的低温性能研究66-86
• 3.1 低温环境下不同浓度溶液性能66-67
• 3.2 电解液在低温环境下的导电性能研究67-68
• 3.3 锌空气电池在低温环境下的放电性能68-80
• 3.3.1 15℃时，250mA恒流放电性能68-69
• 3.3.2 15℃时，500mA恒流放电性能69-70
• 3.3.3 0℃时，250mA恒流放电性能70-71
• 3.3.4 0℃时，500mA恒流放电性能71-72
• 3.3.5 -15℃时，250mA恒流放电性能72-74
• 3.3.6 -15℃时，500mA恒流放电性能74-75
• 3.3.7 不同温度下5的KOH电解液 250mA恒流放电性能75-76
• 3.3.8 不同温度下8的KOH电解液 250mA恒流放电性能76-78
• 3.3.9 不同温度下5的KOH电解液 500mA恒流放电性能78-79
• 3.3.10 不同温度下8的KOH电解液 500mA恒流放电性能79-80
• 3.4 低温环境中锌空气电池的伏安特性研究80-83
• 3.4.1 不同温度下，5mol/L KOH电解液的锌空气电池伏安特性80-82
• 3.4.2 不同温度下，8mol/L KOH电解液的锌空气电池伏安特性82-83
• 3.5 本章小结83-86
• 第4章 废旧碱性锌锰干电池在锌空气电池上的回收再利用86-94
• 4.1 A类废旧碱性锌锰干电池的再利用研究87-90
• 4.1.1 新旧A类锌锰干电池的锌片外壳质量对比87-88
• 4.1.2 剪裁成标准电极大小的A类电池锌片外壳形貌88-89
• 4.1.3 新旧A类干电池锌片外壳在锌空气电池上的放电性能对比89-90
• 4.2 B类废旧碱性锌锰干电池的再利用研究90-92
• 4.2.1 新旧B类锌锰干电池的锌片外壳质量对比90-91
• 4.2.2 剪裁成标准电极大小的B类电池锌片外壳形貌91
• 4.2.3 新旧B类干电池锌片外壳在锌空气电池上的放电性能对比91-92
• 4.3 本章小结92-94
• 第5章 总结与展望94-100
• 5.1 全文总结94-96
• 5.2 展望96-100
• 参考文献100-108
• 作者简介108-110
• 致谢110

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