本文關(guān)鍵詞：薄膜鋁空氣電池的實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：隨著便攜式微型電子設(shè)備逐步走進(jìn)人們的日常生活中，適用于此類電子設(shè)備的薄膜電池備受研究者的關(guān)注。現(xiàn)有此類電池體系以鋅錳電池和鋰離子電池體系為主。本實(shí)驗(yàn)工作中以金屬鋁空氣電池體系為基礎(chǔ)，，研究一種高性能薄膜鋁空氣電池以及打印工藝的制作制備方法。 薄膜鋁空氣電池采用了金屬鋁空氣電池的電化學(xué)體系，具有很高的能量密度。電解質(zhì)是電池中重要的成分之一，常規(guī)金屬空氣電池的電解質(zhì)為堿性溶液，流動(dòng)性極強(qiáng)，不能用于制作薄膜電池。本文用聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸（PAA）和瓊脂分別與氫氧化鉀（KOH）溶液結(jié)合制得凝膠電解質(zhì)，代替常規(guī)液態(tài)電解質(zhì)用于鋁空氣電池。實(shí)驗(yàn)分析三種電解質(zhì)的成膠特性，結(jié)果表明聚丙烯酸-KOH溶液聯(lián)合制備的凝膠電解質(zhì)效果最好。電導(dǎo)率是電解質(zhì)最重要的性能參數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得當(dāng)KOH水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35wt%時(shí)，電導(dǎo)率出現(xiàn)峰值為0.698S cm-1。測(cè)試不同含量的丙烯酸和KOH混合溶液的電導(dǎo)率值，當(dāng)KOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34wt%（5g丙烯酸）、35wt%（10g丙烯酸）、35wt%（15g丙烯酸）時(shí)，電導(dǎo)率分別出現(xiàn)峰值為0.571S cm-1、0.478S cm-1及0.395S cm-1。在KOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35wt%時(shí)，凝膠電解質(zhì)的電導(dǎo)率值為0.459S cm-1。宣紙因其特殊的纖維結(jié)構(gòu)被選作為凝膠電解質(zhì)的機(jī)械支撐。在宣紙纖維結(jié)構(gòu)中直接制備一層凝膠電解質(zhì)，將得到紙基凝膠電解質(zhì)，既減小了電解質(zhì)的厚度又增強(qiáng)了凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。基于上述紙基凝膠電解質(zhì)制備薄膜鋁空氣電池并研究其性能。 本文還提出了一種基于打印工藝制備薄膜鋁空氣電池的制作提出了新方法。電池中電極材料是決定電池性能的重要影響因素，因此本文選用不同的金屬電極材料和空氣電極材料制備電池并對(duì)其性能進(jìn)行對(duì)比。金屬電極選用孔隙度為37%鋁網(wǎng)和鋁箔，兩種電極材料的厚度分別為0.4mm和0.12mm。在恒流放電測(cè)試中兩者性能相似，但就整體厚度和柔韌性而言，選用鋁箔作為電池的金屬電極更優(yōu)。空氣電極以碳鎳多孔電極和碳膜電極作為對(duì)比，碳鎳多孔電極與空氣接觸面積充足，而碳膜電極柔韌性好。兩種空氣電極厚度分別為0.6mm和0.06mm。恒流放電測(cè)試的結(jié)果表明，碳鎳多孔電極的性能較好，但考慮薄膜鋁空氣電池對(duì)柔韌性的要求，選用碳膜電極作為電池的空氣電極。本文還提出了一種采用打印工藝，在不銹鋼基底表面分別打印碳膜電極和紙基凝膠電解質(zhì)，最后貼合鋁箔金屬電極完成薄膜電池樣機(jī)的制作方法。 本文通過對(duì)薄膜鋁空氣電池的初始形狀的恒流放電實(shí)驗(yàn)、彎曲形狀下的恒流放電實(shí)驗(yàn)和電解質(zhì)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)對(duì)薄膜鋁空氣電池的性能進(jìn)行測(cè)試。電池的有效反應(yīng)面積為4cm2，截止電壓為0.7V，最佳電流密度為3mAcm-2，該最佳電流密度下電池的有效工作電壓為1.02V，功率密度為3.56mW cm-2。質(zhì)量能量密度和容量密度分別為867mWhg-1和896mAh g-1。面積能量密度和容量密度分別為1.63mWh cm-2和1.87mWh cm-2。在彎曲的薄膜鋁空氣在恒流放電實(shí)驗(yàn)中，分別將電池貼付在外直徑為24.91mm、53.45mm和64.39mm的玻璃器材表面，實(shí)驗(yàn)表明不同條件下測(cè)得恒流放電曲線與未變形狀態(tài)下的放電曲線趨勢(shì)相同。當(dāng)電流密度為3mAcm-2時(shí)，有效工作電壓分別為1010mV、995mV和1020mV。功率密度分別為2.3mW cm-2、3mW cm-2和3.125mWh cm-2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明薄膜鋁空氣電池的彎曲程度對(duì)電池性能有一定的影響，但是并未阻礙電池的正常放電。在電解質(zhì)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)中，電池第一次放電結(jié)束后得到的電池容量為3.6mAh，能量為3.6mWh。補(bǔ)充電解質(zhì)并充分反應(yīng)后得到的電池容量和能量分別為5.7mA和5.3mWh。本文提出兩種方案用于解決電解質(zhì)供應(yīng)不充分的問題，一是設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)，將紙基凝膠電解質(zhì)封閉在充滿KOH分子的空間中，以免因凝膠電解質(zhì)暴露于空氣中干燥而失效。二是用其他紙類如濾紙或打印紙代替宣紙，增加紙基對(duì)電解質(zhì)溶液的吸收量，確保電池可以充分反應(yīng)。 綜上所述，全文圍繞薄膜鋁空氣電池對(duì)電池的材料及制作方法進(jìn)行了研究，制備電池樣機(jī)并進(jìn)行電池性能測(cè)試。最后，本文提出一種打印薄膜鋁空氣電池方案及其制備方法，有望應(yīng)用于各種小型電子設(shè)備中。
【關(guān)鍵詞】：薄膜電池 鋁空氣電池 凝膠電解質(zhì) 打印制備方法
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM911.41
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-23
• 1.1 選題背景與研究意義12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-21
• 1.2.1 薄膜柔性電池應(yīng)用背景13-15
• 1.2.2 現(xiàn)有薄膜柔性電池電化學(xué)體系15-16
• 1.2.3 金屬空氣燃料電池體系16-18
• 1.2.4 薄膜柔性電池制備工藝18-19
• 1.2.5 凝膠電解質(zhì)電化學(xué)特性19-21
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容21-23
• 第二章 電池實(shí)驗(yàn)及測(cè)試原理23-31
• 2.1 金屬鋁空氣電池體系23-24
• 2.2 電池特征參數(shù)介紹24-25
• 2.3 化學(xué)設(shè)備與化學(xué)試劑介紹25-27
• 2.4 薄膜凝膠鋁空氣電池實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理27-29
• 2.5 本章小結(jié)29-31
• 第三章 紙基凝膠電解質(zhì)的性能研究31-40
• 3.1 氫氧化鉀電解液的電導(dǎo)率測(cè)試31-32
• 3.2 聚乙烯醇凝膠電解質(zhì)32-33
• 3.3 基于瓊脂膠體的堿性電解質(zhì)33
• 3.4 聚丙烯酸凝膠電解質(zhì)33-38
• 3.5 本章小結(jié)38-40
• 第四章 薄膜鋁空氣電池的制備工藝40-50
• 4.1 金屬陽極材料的選擇與制備40-43
• 4.1.1 薄片鋁網(wǎng)陽極的制備40-41
• 4.1.2 鋁箔薄膜陽極的制備41-42
• 4.1.3 金屬電極的對(duì)比試驗(yàn)42-43
• 4.2 空氣電極材料的選擇與制備43-47
• 4.2.1 常規(guī)多孔空氣電極的制備44-45
• 4.2.2 打印空氣碳膜電極的制備45-46
• 4.2.3 電極的對(duì)比試驗(yàn)46-47
• 4.3 樣機(jī)整體的制備47-48
• 4.4 本章小結(jié)48-50
• 第五章 薄膜鋁空氣電池性能測(cè)試50-62
• 5.1 電池樣機(jī)恒流放電測(cè)試50-53
• 5.2 彎曲狀態(tài)下電池性能測(cè)試53-57
• 5.3 電解質(zhì)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)57-60
• 5.4 本章小結(jié)60-62
• 第六章 總結(jié)與展望62-67
• 6.1 實(shí)驗(yàn)工作總結(jié)62-65
• 6.2 研究意義及創(chuàng)新點(diǎn)65
• 6.3 后期工作展望65-67
• 參考文獻(xiàn)67-72
• 作者簡(jiǎn)介及科研成果72-73
• 致謝73

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本文編號(hào)：562136