锌铋合金电极在强碱电解液中的电化学行为研究

摘要

锌是一种重要的金属能源材料，由于其具有储量丰富、电极平衡电位负、比能量高、可逆性好、成本低、无环境污染等优点，已被广泛用作碱性一次和二次电池的负极材料。随着全球对能源和环境问题的高度关注，锌作为能源材料的重要地位日益突显。由于锌电极在浓的碱性溶液中存在着自腐蚀、自钝化、形变和枝晶等问题，使二次锌电池的性能变差，如自放电严重，循环容量迅速降低，严重缩短了电池的寿命，甚至存在安全隐患，从而使锌系列二次电池的大规模开发和应用受到极大的限制。目前有关电极的合金化、电解液中Carbopol树脂的添加量以及工作电极与对电极的距离等电池体系因素对锌电极在强碱性溶液中的电化学行为的影响仍缺乏系统和深入的研究。本文针对碱性锌锰电池的研究热点，围绕碱性锌锰电池体系中的核心课题--锌阳极电化学行为，包括开路电位下的锌腐蚀速度，持续放电下的阳极溶解速度和出现钝化的电流密度等进行研究。主要研究工作和结果如下： ⑴锌电极中添加Bi对合金电极电化学行为的影响研究。考察了电极中Bi的添加对合金电极的电化学行为的影响，包括：合金电极的自腐蚀、阳极溶解峰电流和溶解电位以及致钝时间，并对合金电极浸蚀及溶解致钝后的表面形貌进行了表征。结果表明，合金电极中添加一定量的Bi可明显减小合金的晶粒尺寸，增大界相长度，降低晶界杂质的浓度，从而有效抑制电极的自腐蚀，在开路电位附近极化电阻增大；同时可改善电极表面氧化物的沉积形貌和结晶取向，提高了电极活性。在连续溶解条件下，Bi的添加对电极溶解电位及阳极过电位影响程度较小；在大电流溶解致钝过程中，Bi的添加不同程度地促进了电极的钝化过程。 ⑵电解液中添加Carbopol树脂对合金电极电化学行为的影响研究。考察了电解液中添加Carbopol树脂对电化学行为的影响，包括：合金电极的自腐蚀、阳极溶解峰电流和溶解电位以及电极达到钝化的时间等。结果表明，电解液中添加Carbopol树脂可提高电解液粘性，增大了扩散层厚度，进而显著提高了电极极化电阻，有效降低了电极的自腐蚀速率。在连续溶解条件下，Carbopol树脂的添加使电极阳极的溶解电位出现不同程度的正移，阳极极化过电位明显增大；大电流放电致钝过程中，Carbopol树脂的添加较明显地促进了电极的致钝过程。 ⑶电解池中工作电极与对电极距离对合金电极电化学行为的影响研究。通过精确调节对电极(MnO2)与工作电极(Zn-Bi合金)的距离，较系统地研究了不同电极间距离对锌合金电极的电化学行为的影响。结果表明，电极间距离的缩短使电极溶解电位出现不同程度的正移，溶解电位的波动程度明显加剧，电极表面的双电层电容和电荷传递电阻增大，电极表面反应产物的吸附作用增强，电极的溶解活性受到一定程度地抑制。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1碱性锌锰电池发展简史

1.2碱性锌锰电池的发展现状

1.3碱性锌锰电池存在的技术难点和解决途径

1.3.1锌电极的自腐蚀

1.3.2锌电极的钝化

1.3.3锌电极的变形

1.3.4锌枝晶

本论文的研究目的和设想

参考文献

第二章 实验内容与测试方法

2.1化学试剂与测试仪器

2.1.1化学试剂

2.1.2测试仪器

2.2电极和电解池的制备

2.2.1锌合金电极的制备

2.2.2 Mn02电极的制各

2.2.3电解池的制作

2.3电化学性能测试

2.3.1线性极化曲线的测试

2.3.2动电位扫描极化曲线测量法

2.3.3恒电流放电实验的测定

2.3.4交流阻抗谱的测定

2.3.5扫描电子显微镜

参考文献

第三章 锌合金电极中Bi的添加对电极电化学行为的影响

3.1引言

3.2合金电极的电化学性能测试

3.2.1合金电极中Bi的添加量对电极极化电阻的影响

3.2.2合金电极中Bi的添加对线性伏安曲线的影响

3.2.3合金电极中Bi的添加对E-t曲线的影响

3.2.4合金电极中Bi添加量对E-t曲线中钝化时间tp的影响

3.2.5合金电极中不同Bi添加量时电极的阻抗谱测量

3.2.6 Zn+0.1%Bi合金电极施加不同直流电流时电极的阻抗谱测量

3.2.7合金电极中不同Bi添加量时施加直流电流时电极阻抗谱的测量

3.2.8合金电极中不同Bi添加量时放电至钝化后电极表面结构表征

本章小结

参考文献

第四章 电解液中Carbopol树脂的添加对电极电化学性能的影响

4.1引言

4.2合金电极在溶胶电解液中的电化学性能测试

4.2.1电解液中Carbopol树脂的添加对电极动电位扫描极化曲线的影响

4.2.2电解液中Carbopol树脂的添加对合金电极极化电阻的影响

4.2.3电解液中Carbopol树脂的添加对E-t曲线的影响

4.2.4电解液中Carbopol树脂的含量对E-t曲线中钝化时间tp的影响

本章小结

参考文献

第五章 工作电极与对电极距离对电极电化学性能的影响

5.1引言

5.2合金电极在不同电极间距离条件下的电化学性能测试

5.2.1连续溶解条件下电极在不同电极间距离dw-c时E-t曲线的测试

5.2.2不同电极间距离dw-c时电极阻抗谱的测量

5.2.3不同电极间距离dw-c且施加直流电流时电极的阻抗谱的测量

本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

作者攻读硕士学位期间发表与交流的论文

致谢