【摘要】：隨著社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的發(fā)展,能源作為人們生活和生產(chǎn)中不可缺少的重要組成部分,在推動社會發(fā)展的同時(shí),也同樣存在著環(huán)境污染的問題。因此,研究綠色高效的新能源解決人們長期以來面臨的能源短缺問題是科學(xué)研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。鋅-聚苯胺電池作為一種新型的將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的儲能器件,具有綠色環(huán)保、價(jià)格低廉、比能量高等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是極具開發(fā)潛力的綠色新能源。然而,鋅-聚苯胺電池由于存在一些固有的問題,迄今為止都未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn),主要問題有負(fù)極鋅析氫腐蝕和鋅枝晶的生長、正極聚苯胺的過充降解和其集流體易腐蝕等。本論文主要以鋅-聚苯胺二次電池工業(yè)化生產(chǎn)的目的出發(fā),從聚苯胺的合成成本和電池裝配方式,開展了以下工作:(1)采用化學(xué)氧化聚合的方法,分別以自來水、去離子水、二次蒸餾水為溶劑合成聚苯胺。通過紅外、紫外、多晶X射線、電子掃描電鏡等表征手段對三種水合成的聚苯胺結(jié)構(gòu)性質(zhì)和形貌進(jìn)行研究,結(jié)果表明,不同常用水的性質(zhì)對聚苯胺的結(jié)構(gòu)沒有明顯影響。其次,采用循環(huán)伏安、交流阻抗、單電極充放電等電化學(xué)方法對三種聚苯胺的電化學(xué)性能進(jìn)行研究測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,以自來水、去離子水、二次蒸餾水為溶劑合成聚苯胺的電化學(xué)性能在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)沒有明顯差別。最后,以三種聚苯胺為正極材料,鋅片為負(fù)極材料,組裝成電池,對其進(jìn)行電池性能測試,當(dāng)溶劑為自來水時(shí),鋅-聚苯胺電池的放電比容量最大為108 mAh g~(-1),而溶劑分別為去離子水、二次蒸餾水時(shí),鋅-聚苯胺電池的容量分別為106 mAh g~(-1) 和107 mAh g~(-1),這說明自來水作為溶劑合成的聚苯胺應(yīng)用在鋅-聚苯胺電池中具有極大的開發(fā)前景。(2)基于自來水合成的聚苯胺為電池的正極材料,鋅片為負(fù)極材料,主要是對鋅-聚苯胺二次電池的裝配方式進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了八種不同的鋅-聚苯胺電池的裝配方法。首先,對每種電池的裝配方法和過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,然后對這八種裝配方式的鋅-聚苯胺電池進(jìn)行充放電性能測試,并且對電池的性能失效進(jìn)行分析和總結(jié)。從電池的充放電結(jié)果可以得到,袋裝式鋅-聚苯胺電池(即第六種裝配方式)在連續(xù)60個(gè)循環(huán)周期內(nèi)最大放電比容量達(dá)到81 mAhg~(-1),并且?guī)靷愋识冀咏?00%,而其余七種裝置方式的電池得到的最低放電比容量和庫倫效率為 12.7 mAh g~(-1)、35.7 mAh g~(-1)、50.6 mAh g~(-1) 59.3 mAh g~(-1)、16.4 mAh g~(-1)、25.4 mAh g~(-1) 12.2 mAh g~(-1) 和 6%、97%、97%、98.8%、2.8%、2.6%、98%(按第一到第八種排序),說明袋裝式鋅-聚苯胺電池具有良好的充放電性能。(3)袋裝式鋅-聚苯胺二次電池的研究主要是對關(guān)鍵工藝進(jìn)行優(yōu)化,主要包括:隔膜材料的選擇、電解液的pH、正極極耳材料、乙炔黑和石墨粉的添加量、正極材料質(zhì)量和成型壓力、充放電倍率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到最佳的袋裝式鋅-聚苯胺電池的工藝參數(shù):隔膜為一層PE隔膜;電解液的pH為4.2;正極極耳材料為銅箔;乙炔黑和石墨粉的添加量為10%和5%;正極材料的質(zhì)量為0.15 g;成型壓力為6 MPa;在充放電倍率為0.1 C時(shí),電池的放電比容量最高達(dá)到108.7 mAh g~(-1),并且?guī)靷愋室脖３衷?00%左右,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于期望的容量值,當(dāng)對應(yīng)的充放電倍率為0.2 C、0.3 C、0.5 C、1C時(shí)最大放電比容量依次為99.1 mAh g~(-1)、90 mAh g~(-1) 77.8 mAh g~(-1)、64.7 mAhg g~(-1),庫倫效率也都接近100%。最后,做出循環(huán)性能和庫倫效率都比較好的袋裝式鋅-聚苯胺電池,至少達(dá)到500次的充放電循環(huán)壽命,且負(fù)極鋅片表面沒有鋅枝晶的生成。
【圖文】：

逑聚苯胺粉末邋＜——篩子篩選邐＜——邋研磨邐＜——邋供千邐＜——無逡逑圖２．２聚苯胺的化學(xué)氧化合成路線逡逑２．１．３不同水合成的聚苯胺的表征逡逑２．１．３」聚苯胺的紅外表征（ＦＴ－ＩＲ）逡逑分別取適量自來水、去離子水、二次蒸餾水化學(xué)氧化合成的聚苯胺粉末與溴化鉀（ＫＢｒ）逡逑混合，置于瑪瑙研抌中進(jìn)行研磨，在紅外壓片機(jī)模具中壓片成型，測定三種聚苯胺的紅外逡逑光譜圖（波長測量范圍為４０００？４００邋ｃｍ—１）。逡逑２．１．３．２聚苯胺的紫外表征（ＵＶ－ｖｉｓ）逡逑取適量用Ｎ，Ｎ－二甲基甲酰胺（ＤＭＦ）分別溶解自來水、去離子水、二次蒸餾水化學(xué)氧逡逑化合成的聚苯胺粉末，超聲１５邋ｍｉｎ，時(shí)測樣品均勾分散^u來，然后在２００？８００邋ｎｍ的波長逡逑范圍內(nèi)測定這三種聚苯胺的紫外光譜圖。逡逑

圖２．４聚苯胺的紅外光譜圖逡逑２．２．１．２聚苯胺的紫外表征逡逑圖２．５是不同水合成的聚苯胺的紫外光譜圖，曲線ａ，ｂ，ｃ分別是自來水、去離子水逡逑和二次水合成的聚苯胺的紫外光譜圖。從圖中可以看出，三條曲線皆有兩個(gè)很明顯的峰，逡逑且形狀基本一致。在３３０邋ｎｍ處有一個(gè)較強(qiáng)的吸收峰，這是聚苯胺典型的一個(gè)吸收峰，是逡逑由于共軛苯環(huán)的Ｔｉ—７１＊躍遷引起的。而在６３０邋ｎｍ處同樣存在著一個(gè)強(qiáng)峰，這是聚苯胺的另逡逑一個(gè)典型的吸收峰，這是對應(yīng)的苯環(huán)上醌式結(jié)構(gòu)的躍遷，是由于在摻雜的聚苯胺中極化子逡逑／雙極化子躍遷的極化子吸收引起的［１３］�？梢钥闯�，曲線（ａ）和（ｂ）峰的基本一樣，，但是逡逑曲線（ｃ）的峰高明顯低于曲線（ａ）和（ｂ），這可能是由于測試時(shí)聚苯胺樣品濃度不同造逡逑成的。從聚苯胺的紅外光譜圖中可以看出，使用不同的水合成聚苯胺對其結(jié)構(gòu)并沒有影響。逡逑／？＼邐—自}rｗ逡逑＼邐一去離子水
【學(xué)位授予單位】：揚(yáng)州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM912

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2602697