复合钛基板及活性物质对双极性铅酸电池性能的影响

摘要

双极性铅酸电池具有比能量高、比功率高及长寿命的特点，制备双极性铅酸电池的核心是其中的双极板。本文对复合钛基板、活性物质添加剂和多孔阵列活性物质电极进行了研究。
　　采用溶胶凝胶碳热还原法和直接氧化碳热还原法，在钛箔表面包覆了一层非化学计量比的氧化钛(TiO2-x)膜。利用这两种方法，在800℃下烧结2 h，改性钛箔都具有优异的电导率。XPS分析表明，表面膜中钛的平均价态都为3.74。用溶胶凝胶碳热还原法改性的钛箔覆铅后作为基板，制备的双极性铅酸电池，0.25 C、0.5 C、1 C和2 C倍率放电，正极活性物质的比容量分别为90 mAh·g-1、80 mAh·g-1、65 mAh·g-1和60 mAh·g-1；用直接氧化碳热还原法改性的钛箔覆铅后作为基板，在同样条件下放电，正极活性物质的比容量分别为100mAh·g-1、90mAh·g-1、80 mAh·g-1和65 mAh·g-1。表明以上两种方法制备的双极性基板，正极活性物质都具有较高的放电比容量。与未改性的钛箔相比，用改性钛基板制备的双极性铅酸电池具有更长的循环寿命，说明钛箔的改性，可以有效提高钛箔在循环充放电过程中的化学稳定性。
　　将复合钛基板浸渍到50 wt％的氟硼酸溶液并充分洗涤后发现，铅层可以在极板固化过程中，与铅膏之间形成更加均匀的腐蚀界面，进而有效提高铅膏与基体之间的结合强度。以其作为双极性铅酸电池的基板，可以提高活性物质的比容量和循环寿命。
　　采用高速球磨法，合成了纳米四碱式硫酸铅（4BS）/超细 SiO2复合添加剂。合成过程中加入6 wt%的超细 SiO2粉末，抑制了纳米4BS晶粒的团聚。XRD分析表明，制备的纳米4BS纯度接近100%；SEM观察发现，纳米4BS晶粒的形貌与传统4BS的棒状形貌不同，呈颗粒状；HRTEM分析表明，纳米4BS晶体是由多个4BS晶体组成的一种多晶。纳米4BS/SiO2具有很高的活性，40 mA·g-1电流密度放电，比容量为183 mAh·g-1；160 mA·g-1放电，比容量仍能够达到150mAh·g-1以上。
　　进行了纳米4BS/SiO2复合添加剂，加入到铅酸电池正极活性物质中的实验研究。SEM观察发现，固化后会正极活性物质之间会形成彼此交联的网络骨架；TEM观测发现，加入1 wt%纳米4BS铅膏的微观结构中，4BS的微观形貌存在棒状和颗粒状；HRTEM分析可知，棒状4BS是一种单晶，而颗粒状4BS则为多晶；XRD分析表明，在固化过程中4BS会在不同晶面上优先生长。充放电测试结果表明，加入1 wt%纳米4BS/SiO2复合添加剂，正极活性物质具有较高的放电比容量，且300次充放电循环后，活性物质的比容量没有出现明显的衰减。说明纳米4BS/SiO2复合添加剂，能够提高正极活性物质的循环寿命，而不会降低正极活性物质本身的比容量。
　　为了提高双极性铅酸电池单位面积电极的容量，设计制备了多孔阵列活性物质电极。研究发现，在高倍率下多孔阵列活性物质可以有效提高活性物质的利用率和循环寿命，1 C比容量可以达到50.08 mAh·g-1。建立了多孔阵列活性物质双极性电极的数学模型，推导出单位面积活性物质中阵列孔孔径和数量与活性物质整体孔隙率之间的关系。用储酸机制解释了多孔阵列活性物质双极性电极，在高倍率下活性物质利用率高的原因。最后，制备了12 V实验型双极性铅酸电池，其比能量达到40 Wh·kg-1以上。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 双极性铅酸电池简介

1.3 双极性铅酸电池基板材料的研究现状

1.4 铅酸电池添加剂及电极结构的研究现状

1.5 课题的主要内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1 实验材料及化学试剂

2.2复合钛基板和极片的制备以及电池的组装

2.3 材料的物理性能测试

2.4 实验电池电极的电化学性能测试

第3章 复合钛基板的改性及其性能研究

3.1 引言

3.2 复合钛基板钛层改性的具体方法

3.3改性条件对钛箔性能的影响

3.4 复合钛基板中铅层与铅膏之间腐蚀界面的研究

3.5 改性复合钛基板对电池正极活性物质性能的影响

3.6 本章小结

第4章 纳米4BS/SiO2的制备及其对正极活性物质性能的影响

4.1 引言

4.2超细二氧化硅粉末对正极活性物质微观形貌与性能的影响

4.3 纳米4BS/SiO2复合添加剂的制备及其性能研究

4.4 纳米4BS/SiO2作为铅酸电池正极活性物质添加剂的研究

4.5本章小结

第5章 多孔阵列活性物质对电池性能的影响

5.1 引言

5.2 多孔阵列活性物质电极的制备及其性能研究

5.3 多孔阵列对活性物质性能影响的理论模型

5.4 12 V双极性铅酸电池的电化学性能研究

5.5 本章小结

结论

论文创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历