PAAS基凝胶电解质的制备及其在碱性二次电池中的应用

摘要

近年来，随着对环境保护的要求及高性能电池的迫切需要，碱性二次电池特别是镍氢电池和镍锌电池以其高能量密度、高功率密度，且对环境无污染，迅速成为众多工作者的研究热点。目前，镍氢电池和镍锌电池一般采用KOH水溶液作为电解质，但由于液体电解质存在易干涸，泄漏，对电极产生腐蚀，且使用温度范围窄等缺点，人们试图用其他类型电解质来取代KOH水溶液。碱性聚合物凝胶电解质具有易合成、室温电导率高、聚合物基体材料丰富、成本较低等优点而进入研究工作者的视野。其中，聚丙烯酸聚合物电解质是目前研究的电导率最高的一种聚合物电解质，但因其含水量过高而机械性能较差。本文针对其机械性能不足，添加了纳米无机盐硅酸镁锂(MLS)，制备了硅酸镁锂-聚丙烯酸钠(PAAS)-KOH-H2O凝胶电解质，并组装了镍氢电池和镍锌电池研究了其电池性能。
　　 首先，以硅酸镁锂和聚丙烯酸钠及氢氧化钾为原料，采用共混法制备了MLS-PAAS-KOH-H2O碱性凝胶电解质。采用交流阻抗、循环伏安技术对样品进行了研究。研究结果表明:室温时，MLS-PAAS-KOH-H2O凝胶电解质具有与6 mol/L KOH溶液同一数量级别的电导率;在290 K～330 K温度范围内，MLS-PAAS-KOH-H2O凝胶电解质的电导率对温度的关系符合Arrhenius方程，计算的电导活化能大约为13.55kJ·mol-1;循环伏安曲线表明MLS-PAAS-KOH-H2O凝胶电解质有约1.6V的电化学稳定窗口。
　　 其次，以MLS-PAAS-KOH-H2O凝胶电解质组装模拟镍氢电池研究其电池性能。研究结果表明:分别以0.5 C、1C、2C倍率放电时，放电容量大致相等;研究了以凝胶电解质和KOH水溶液组装的电池的电压降主要来源于凝胶电解质与电极之间的界面电阻;与以6mol/L KOH水溶液组装的镍氢电池相比，凝胶电解质电池具有更好的循环性能和荷电保持能力; Tafel极化测试表明，合金电极在凝胶电解质中的耐蚀能力更好;交流阻抗测试表明，凝胶电解质电池电极具有更低的电化学阻抗。
　　 最后，以MLS-PAAS-KOH-H2O凝胶电解质组装的镍锌电池测试其充放电性能、循环性能及荷电保持性能，结果表明:由于凝胶电解质能抑制锌和[Zn(OH)4]2-的溶解和扩散，削弱了锌电极的腐蚀、变形、自放电和锌枝晶的形成，使凝胶电解质电池具有较好的充放电性能、循环寿命及荷电保持性能;倍率放电测试表明，凝胶电解质电池在0.2C、0.5 C、1C倍率放电时，性能与碱液电解质电池相当，2C倍率放电凝胶电解质电池性能不如碱液电解质电池;Tafel极化测试表明，锌电极在凝胶电解质中的抗腐蚀能力更好;循环伏安测试表明，锌电极在凝胶电解质中具有更好的可逆性及放电容量;交流阻抗测试表明，凝胶电解质电池锌电极具有稍高的欧姆阻抗RΩ和更低的电化学阻抗Rct。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 液体电解质

1．3 无机固体和无机凝胶电解质

1．4 聚合物电解质

1．4．1 聚合物电解质中的离子电导率的影响因素及传导机理

1．4．2 固态聚合物电解质

1．4．3 凝胶态聚合物电解质

1．5 研究意义及创新点

1．6 本论文研究内容

1．6．1 实验材料的选取

1．6．2 本论文主要工作

第二章 MLS-PAAS-KOH-H2O凝胶电解质的制备及表征

2．1 实验仪器与药品

2．2 测试方法

2．2．1 PAAS吸水性能

2．2．2 碱性凝胶电解质的制备

2．2．3 碱性凝胶电解质电化学性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 PAAS吸水性能及凝胶外观形貌

2．3．2 PAAS含量对电解质电导率的影响

2．3．3 KOH溶液浓度对凝胶电解质电导率的影响

2．3．4 硅酸镁锂含量对凝胶电解质粘稠度和电导率的影响

2．3．5 凝胶电解质电导率与温度的关系

2．3．6 凝胶电解质循环伏安测试

2．4 本章小结

第三章 MLS-PAAS-KOH-H2O凝胶电解质组装的镍氢电池应用

3．1 实验仪器与药品

3．2 实验用镍氢二次电池电极的制作

3．3 实验用镍氢二次电池性能测试

3．3．1 氢氧化镍电极和储氢合金电极的活化

3．3．2 凝胶电解质电池组装和充放电性能测试

3．3．3 凝胶电解质电池电化学性能测试

3．4 镍氢电池工作原理

3．5 结果与讨论

3．5．1 充放电性能

3．5．2 倍率充放电性能

3．5．3 内阻

3．5．4 循环性能

3．5．5 荷电保持性能

3．5．6 电化学性能

3．6 本章小结

第四章 MLS-PAAS-KOH-H2O凝胶电解质组装的镍锌电池应用

4．1 实验仪器与药品

4．2 实验用镍锌二次电池电极的制作

4．3 实验用镍锌二次电池性能测试

4．3．1 氢氧化镍电极和锌电极的活化

4．3．2 凝胶电解质电池组装和充放电性能测试

4．3．3 凝胶电解质电池电化学性能测试

4．4 镍锌电池工作原理

4．5 结果与讨论

4．5．1 充放电性能

4．5．2 倍率放电性能

4．5．3 循环性能

4．5．4 荷电保持性能

4．5．5 电化学性能

4．6 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果