本文關(guān)鍵詞：鋅鎳二次電池鋅負(fù)極材料的研究

  更多相關(guān)文章： 鋅鎳二次電池 高振實(shí)密度ZnO 二次碳包覆 鋅酸鈣

【摘要】：人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展導(dǎo)致人們對(duì)于能源的需求量與日俱增,加之煤炭、石油等不可再生能源的瀕臨枯竭,對(duì)于清潔環(huán)保、可持續(xù)利用的新能源的研究就顯得至關(guān)緊要。就目前的發(fā)展情況來(lái)看,研究人員將工作重心放在太陽(yáng)能電池、二次電池、燃料電池和超級(jí)電容器等方向上,力求在這些領(lǐng)域取得更大的進(jìn)展。在眾多新型能源中,鋅鎳二次電池因其具有較高的工作電壓、高比能量、高比功率、低成本以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)使之成為高能綠色電源的代表之一,也因此被越來(lái)越來(lái)的研究人員所重視。目前,制約鋅鎳二次電池市場(chǎng)化發(fā)展的重要因素是其較短的循環(huán)壽命和放電性能不夠優(yōu)秀,還很難和鋰離子電池以及鎳氫、鎳鎘等二次電池相競(jìng)爭(zhēng)。這其中最重要的內(nèi)部因素就是鋅鎳二次電池鋅負(fù)極的主要活性物質(zhì)ZnO為兩性氧化物,在堿性電解液中具有較高的溶解度,并且充放電過(guò)程中會(huì)有鋅枝晶的生成造成極板形變甚至內(nèi)部短路。因此,眾多研究人員都在此問(wèn)題上做出努力,嘗試各種修飾手段提升鋅負(fù)極的電化學(xué)性能。但是在提升材料性能的基礎(chǔ)上,影響材料商業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)重要因素—裝填密度往往被研究人員所忽視。據(jù)相關(guān)報(bào)導(dǎo),鋅鎳二次電池通常采用負(fù)極過(guò)量正極限量的制作模式,因此負(fù)極活性物質(zhì)的裝填密度很大程度上決定著電池制作的成本。在本文中提出振實(shí)密度—這一決定材料裝填密度的直接因素,嘗試從合成方法入手制備出高振實(shí)密度的負(fù)極活性物質(zhì),將其應(yīng)用于鋅負(fù)極中,深入探討材料形成機(jī)理,從實(shí)用化和應(yīng)用角度出發(fā),綜合提升鋅鎳二次電池的電化學(xué)性能。主要工作包括以下三個(gè)方面:首次通過(guò)一種簡(jiǎn)易的絡(luò)合沉淀的合成方法,制備出了具有高振實(shí)密度的氧化鋅微米球?qū)⑵鋺?yīng)用于鋅鎳二次電池鋅負(fù)極材料中,并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)其具有較高的體積比容量和優(yōu)秀的循環(huán)性能。經(jīng)過(guò)對(duì)高振實(shí)密度ZnO微米球進(jìn)行物理性質(zhì)以及電化學(xué)性能的測(cè)試之后發(fā)現(xiàn),制得的氧化鋅微米球振實(shí)密度可到3.00gcm-3,是商業(yè)用ZnO振實(shí)密度的三倍之多。并且和商業(yè)用ZnO相比,所制得的球形ZnO具有更優(yōu)秀的電化學(xué)性能,這其中包括:更高的體積比容量、更優(yōu)秀的高倍率性能以及循環(huán)性能。在0.2C倍率和2C倍率下,制得的ZnO微米球所釋放出的體積比容量分別為1450m Ahcm-3和1110mAhcm-3,這一結(jié)果同樣是商業(yè)用ZnO的三倍之多。研究表明,這些性能方面的改進(jìn)主要是由于其獨(dú)特的密集球形微米結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其擁有著更優(yōu)秀的循環(huán)可逆性、出色的抗腐蝕能力、更低的電荷轉(zhuǎn)移阻抗以及更優(yōu)秀的抑制負(fù)極板形變的能力。由于其簡(jiǎn)易的制備方法以及出色的電化學(xué)性能,合成出的這種高振實(shí)密度ZnO樣品對(duì)于制作高性能的鋅鎳二次電池來(lái)說(shuō)是一種非常有前景的負(fù)極材料。本章實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于成功利用制備出的高振實(shí)密度ZnO微米球?yàn)榍膀?qū)體,借鑒鋰離子電池正極材料碳包覆的修飾手段,并且首次提出原位覆碳、雙層碳膜的修飾理念,以葡萄糖為碳源對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行材料改性。將高振實(shí)密度ZnO微米球、煅燒后的ZnO微米球、N2保護(hù)下煅燒后的ZnO微米球、N2保護(hù)下經(jīng)葡萄糖碳包覆的ZnO微米球四種樣品進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)四種樣品的物理性質(zhì)以及電化學(xué)性能的測(cè)試后發(fā)現(xiàn),經(jīng)葡萄糖碳包覆的具有雙層碳膜的ZnO微米球不僅具有2.56gcm-3的振實(shí)密度,而且在1C放電倍率下,200次循環(huán)過(guò)后仍能保持418mAhg-1的放電容量,是其最高放電容量475 mAhg-1的88%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余三種樣品,其高倍率性能同樣高于其余三種樣品。經(jīng)過(guò)對(duì)其進(jìn)行形貌表征以及一系列的電性能測(cè)試后,發(fā)現(xiàn)這些性能的提升主要是由于其球形表面具有雙層碳膜的修飾作用,從而提升了材料的導(dǎo)電性,減小了電極反應(yīng)過(guò)程中的極化,降低了電池內(nèi)阻,抑制了ZnO在堿性電解液中的溶解度。借鑒高振實(shí)密度氧化鋅的研究思路,探討了不同形貌ZnO前驅(qū)體對(duì)鋅酸鈣形成的影響。嘗試以高振實(shí)密度ZnO微米球?yàn)榍膀?qū)體用一種簡(jiǎn)易的化學(xué)沉淀的方法制備出同樣高振實(shí)密度,結(jié)晶度良好的鋅酸鈣晶體。并輔以商業(yè)ZnO前驅(qū)體制備出的鋅酸鈣作為對(duì)比,對(duì)兩種鋅酸鈣樣品進(jìn)行掃描電鏡(SEM)形貌表征,X射線衍射(XRD)測(cè)試,振實(shí)密度測(cè)量以及電化學(xué)性能測(cè)試并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)以ZnO為前驅(qū)體合成鋅酸鈣是一個(gè)溶解重組的過(guò)程,得到的鋅酸鈣晶體和初始形貌沒(méi)有關(guān)系。雖然本次試驗(yàn)沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目的,但是探究過(guò)程中了解到了鋅酸鈣的形成機(jī)理,為以后對(duì)鋅酸鈣進(jìn)行改性,提高材料性能打下良好的基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：鋅鎳二次電池 高振實(shí)密度ZnO 二次碳包覆 鋅酸鈣
【學(xué)位授予單位】：河南師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O646;TM912
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 鋅鎳二次電池簡(jiǎn)介12-19
• 1.2.1 鋅鎳電池的工作原理12-14
• 1.2.2 鋅鎳二次電池的結(jié)構(gòu)14-15
• 1.2.3 鋅鎳二次電池的研究歷史與現(xiàn)狀15-16
• 1.2.4 鋅鎳二次電池存在的主要問(wèn)題16-18
• 1.2.5 鋅鎳二次電池的改進(jìn)方向18-19
• 1.3 本文的研究目的、意義和內(nèi)容19-21
• 第二章 絡(luò)合沉淀法制備高振實(shí)密度ZnO微米球作為Zn-Ni二次電池負(fù)極材料21-35
• 2.1 引言21-23
• 2.2 實(shí)驗(yàn)23-24
• 2.2.1 ZnO微米球的合成23
• 2.2.2 結(jié)構(gòu)表征23
• 2.2.3 電化學(xué)測(cè)試23-24
• 2.3 結(jié)果與討論24-34
• 2.3.1 兩種ZnO材料的形貌表征24-29
• 2.3.2 電化學(xué)測(cè)試29-34
• 2.4 結(jié)論34-35
• 第三章 二次碳包覆的高振實(shí)密度ZnO微米球材料在鋅鎳電池中的應(yīng)用35-49
• 3.1 引言35-36
• 3.2 實(shí)驗(yàn)36-38
• 3.2.1 ZnO微米球的合成36
• 3.2.2 一層碳膜和二次碳包覆ZnO微米球的制備36
• 3.2.3 結(jié)構(gòu)表征36-37
• 3.2.4 電化學(xué)測(cè)試37-38
• 3.3 結(jié)果與討論38-47
• 3.3.1 形貌表征38-41
• 3.3.2 電化學(xué)測(cè)試41-47
• 3.4.結(jié)論47-49
• 第四章 探究不同形貌ZnO前驅(qū)體對(duì)鋅酸鈣形成的影響49-57
• 4.1 引言49-50
• 4.2 實(shí)驗(yàn)50-51
• 4.2.1 鋅酸鈣的制備50
• 4.2.2 兩種鋅酸鈣樣品的結(jié)構(gòu)表征50
• 4.2.3 兩種鋅酸鈣樣品的電性能測(cè)試50-51
• 4.3 結(jié)果與討論51-55
• 4.3.1 兩種鋅酸鈣樣品的XRD表征51-52
• 4.3.2 兩種鋅酸鈣樣品的形貌（SEM）表征52-53
• 4.3.3 兩種鋅酸鈣樣品的振實(shí)密度測(cè)試53
• 4.3.4 兩種鋅酸鈣樣品的電性能測(cè)試53-55
• 4.4 結(jié)論55-57
• 第五章 結(jié)論與展望57-59
• 參考文獻(xiàn)59-65
• 致謝65-67
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄67-68

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本文編號(hào)：546402