鋅空氣電池在所有的金屬空氣電池中技術(shù)相對成熟,具有高的理論比能量(1086Wh·kg~(-1)),平穩(wěn)的工作電壓,又因其鋅陽極具有成本低、對環(huán)境友好的優(yōu)勢,鋅空氣電池商業(yè)化產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于無線電通訊、鐵路信號和助聽器電源等低功率器件市場中(輸出功率10 mW),現(xiàn)已逐步嘗試將鋅空氣電池應(yīng)用于儲能行業(yè)、電動車行業(yè)、便攜式電子設(shè)備中。本文的研究內(nèi)容圍繞鋅空氣電池的隔膜、陽極以及陰極三個(gè)關(guān)鍵性部件展開;研究不同隔膜對鋅空氣電池電化學(xué)性能的影響;分別將鋅粉壓片與鋅箔作鋅陽極組裝鋅空氣電池,探究放電產(chǎn)物的形貌對鋅電極利用率的影響;同時(shí),首次采用新型的多孔鈷酸鍶鑭陶瓷基底La_(0.7)Sr_(0.3)CoO_(3-δ)(LSC),負(fù)載銀(Ag)氧還原催化劑制備鋅空氣電池的陰極(Ag-LSC),通過調(diào)控LSC基底的孔洞、催化劑負(fù)載量以及親疏水通道,提高了鋅空氣電池的電化學(xué)性能及穩(wěn)定性。玻璃纖維隔膜具有豐富的纖維交叉形成的微孔結(jié)構(gòu),厚度為0.7 mm,比常用的無紡布聚合物隔膜更厚,對KOH溶液的吸液率是無紡布隔膜的3倍以上。以鋅粉壓片作陽極、碳紙負(fù)載Ag作陰極,與玻璃纖維隔膜組裝的鋅空氣電池開路電壓為1.5 V,放電電壓平穩(wěn),且放電時(shí)間比用無紡布隔膜組裝的電池更長。但兩者鋅的利用率比較低,當(dāng)將不同鋅陽極組裝成鋅空氣電池,發(fā)現(xiàn)鋅箔與鋅粉壓片的利用率低是由不同的原因?qū)е�。鋅空氣電池放電后,鋅箔陽極的表面生成致密的苔蘚形貌氧化物,阻礙了內(nèi)部鋅的進(jìn)一步氧化,從而降低鋅的利用率;而鋅粉壓片陽極的表面放電產(chǎn)物是小針狀物聚集成疏松多孔的結(jié)構(gòu),內(nèi)部的鋅也被氧化,但由于電極比表面積增大,電極中一部分的鋅未經(jīng)過放電而直接被氧化,最終導(dǎo)致陽極利用率低。除此之外,鋅粉壓片陽極因直接接觸銅箔集流體,加速了鋅的自腐蝕,從而進(jìn)一步降低了陽極利用率。在前面電池的兩種關(guān)鍵性部件研究的基礎(chǔ)上,本文將玻璃纖維隔膜、鋅粉陽極與一種新型的Ag-LSC多孔功能陶瓷陰極一起組裝成鋅空氣電池,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)陶瓷LSC基底的孔隙率為32%且Ag含量為30 mg·cm~(-2)時(shí),在空氣氛圍下,鋅空氣電池的最高功率密度可達(dá)141 mW·cm~(-2)。并在已優(yōu)化的Ag-LSC陰極中添加PTFE,改變陰極的親疏水通道,在同一電流密度5 m A·cm~(-2)下恒流放電,采用等量的陽極鋅粉,添加PTFE的陰極制備的鋅空氣電池放電容量從原來的20 mAh增大到125 m Ah,在鋅粉放電結(jié)束后更換鋅粉,電池還能持續(xù)穩(wěn)定放電。這種新型多孔功能陶瓷LSC基底極大地提高了陰極的電化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn),而且PTFE的加入也使Ag-LSC陰極組裝成的鋅空氣電池壽命得到明顯提高。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM911.41
【部分圖文】：

鋰離子電池等。其中，鋰離子動力電池比能量最高，在電動車上占有的重量最小，但價(jià)格昂貴。隨著新能源汽車的快速擴(kuò)張，鋰離子電池的產(chǎn)量在未來幾年將會大幅度增加，然而鋰資源儲量有限，材料昂貴，雖然鋰可以通過濕法冶金回收，但實(shí)際上鋰離子電池還沒被真正地實(shí)現(xiàn)大規(guī)�；厥绽�。因此，可持續(xù)發(fā)展需要探索替代鋰離子電池的新動力電池，如鋰硫電池、鈉離子電池、氧化還原液流電池、金屬空氣電池等[2]。氫氧燃料電池汽車雖然具有能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)氫、儲氫等關(guān)鍵技術(shù)問題以及價(jià)格昂貴使其在短期內(nèi)難以推向市場。于是許多科學(xué)家開始把目光轉(zhuǎn)向金屬空氣電池。金屬與氫具有相同活潑化學(xué)屬性，同樣可與氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)，來源廣泛，通過電解金屬氧化物可以回收電極材料，而且與氫氣相比，固態(tài)金屬更方便儲存與運(yùn)輸。鋅空氣電池屬于金屬空氣電池中的一種，相比于鋰離子電池，鋅來源廣泛，而且鋅比鋰便宜，其容量大、續(xù)航里程長，放電結(jié)束后負(fù)極產(chǎn)物氧化鋅可完全被回收利用，綠色環(huán)保，因此鋅空氣電池適宜用作電動車的動力來源。

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文1）水系金屬空氣電池一般采用強(qiáng)堿性溶液作電解液，活潑金屬陽極容易直接與電反應(yīng)，發(fā)生析氫腐蝕，導(dǎo)致金屬的實(shí)際利用率低；2）金屬空氣電池由于處于開放系統(tǒng)中，空氣中的二氧化碳容易使堿性電解液發(fā)生鹽化，空氣的濕度也會直接影響電池中電解液的濃度變化，影響電池性能；3）二次金屬空氣電池在充放電過程中，電解液中的金屬酸根離子容易擴(kuò)散到電極的凸出位置后還原，在水性電解液中不規(guī)則沉積而形成枝晶，最終穿破隔膜，引起短路；4）長時(shí)間放電后，陰極表面會出現(xiàn)裂縫，疏水性下降，導(dǎo)電集流網(wǎng)也會出現(xiàn)一定程腐蝕，從而導(dǎo)致電池的電化學(xué)性能下降。

氣電池具有高的理論能量密度（1086Wh·kg-1），是以鋅作為陽極反應(yīng)活性氧氣作為陰極反應(yīng)活性物質(zhì)，一定濃度的堿性溶液作為電解質(zhì)（如 KOH 溶池放電的原理圖如圖 1-3 所示，放電時(shí)，空氣中的氧氣進(jìn)入陰極，氧氣從子發(fā)生氧還原反應(yīng)（ORR）O2+ 2H2O + 4e = 4OH 氧根離子因濃度差的趨勢往陽極遷移；陽極的鋅失去電子被氧化，在強(qiáng)堿根離子形成鋅酸鹽Zn + 4OH = Zn(OH)42 + 2e 中的鋅酸鹽過飽和時(shí)析出氧化鋅Zn(OH)42 = ZnO + H2O + 2OH 2Zn + O2= 2ZnO
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 宋輝;徐獻(xiàn)芝;李芬;;鋅電極放電過程及失效機(jī)制數(shù)值分析[J];物理化學(xué)學(xué)報(bào);2013年09期

本文編號：2837676