水体系电解液中Zn-PANI二次电池的性能研究

摘要

能源是人们生活和生产不可缺少的重要组成部分，随着社会的发展，人们对能源的需求日益增加，带来的环境问题也日益严重。为了社会和经济的可持续发展以及人类的健康，清洁、环保、无污染、低成本、高比能量的绿色能源受到政府和研究者的高度重视。锌-聚苯胺二次电池由于具有成本低、绿色、安全、无污染等优点很具有研究开发的潜力。但是由于锌-聚苯胺电池在充放电过程中会有锌枝晶的产生造成电池短路，聚苯胺的降解、锌电极的腐蚀、电解液pH值以及集流体和隔膜的缺陷使电池的循环寿命降低等一系列问题，阻碍了锌-聚苯胺电池的工业化生产。本论文针对以上问题，开展了以下工作。
　　通过循环伏安(CV)、交流阻抗(EIS)、塔菲尔曲线、扫描电子显微镜(SEM)等方法分别研究了锌电极在添加了适量的不同种类、不同浓度的添加剂（一元羧酸盐、二元羧酸盐、三元羧酸盐以及混合羧酸盐）并配制成不同酸度的水体系电解液中的电化学性质，然后通过分析对比锌电极在电解液中表现的性质，确定较佳的电解液的组成成分。研究表明:在含Cl-的水体系电解液中，添加适量的某一元羧酸盐(SP)和某二元羧酸盐(SM)添加剂能提高锌电极的电化学性能，而且锌电极在其中也不易发生自腐蚀现象。然后再通过改变电解液的pH及组成成分的浓度选出较佳的电解液体系。结果表明，在电解液pH约为4.0，ZnCl2浓度为0.20 mol dm-3，NH4Cl浓度为0.50 mol dm-3，SP浓度为0.10 mol dm-3;SM浓度为0.20 mol dm-3，Na2A浓度为0.25 mol dm-3，Na3B浓度为0.05 mol dm-3时，锌电极的电化学性能、稳定性以及体系的可逆性最佳。
　　通过红外(FT-IR)、紫外(UV)、X射线衍射(XRD)以及扫描电子显微镜(SEM)等表征方式对比分析了聚苯胺的不同合成方式对聚苯胺结构的影响。发现合成方式的改变对聚苯胺的结构不会造成明显影响。参照锌电极性质的研究，在氯离子体系电解液中添加适量的不同种类、不同浓度的添加剂，通过循环伏安、交流阻抗以及充放电等方法，探讨出聚苯胺电极最合适的水体系电解液的组成配比，再通过研究聚苯胺分别在不同pH值的水体系电解液中的电化学性质，选择出最佳的pH值。实验结果显示，聚苯胺电极在电解液pH约为4.0，ZnCl2浓度为0.20 mol dm-3，NH4Cl浓度为0.50 moldm-3，SP浓度为0.10 mol dm-3; SM浓度为0.20 mol dm-3，Na2A浓度为0.25 mol dm-3，Na3B浓度为0.05 mol dm-3时，能发挥最好的电化学活性。这与锌电极对电解液配比要求的条件一致。
　　研究了不同集流体材料:导电玻璃纸、不锈钢网、软石墨和碳布的性能。采用循环伏安，电化学交流阻抗以及动电位极化等手段，对比了不同的空白集流体在电解液中的化学和电化学稳定性。然后以化学氧化法或电化学沉积合成的聚苯胺为正极材料，打磨后的锌片为负极材料，以(0.50 mol dm-3 NH4Cl+0.20 mol dm-3 ZnCl2+0.05 moldm-3 Na3B+0.20 mol dm-3 SM+0.10 mol dm-3 SP+0.25 mol dm-3 Na2A)体系作为电解液，组装成锌-聚苯胺二次电池，重点研究了不同的充电上限电压、放电下限电压、电流密度、隔膜等条件对锌-聚苯胺二次电池的充放电性能影响。得出最合适的充放电条件:电解液pH4.0时，充电上限电势为1.5V，放电下限电势为0.7 V，电流密度为40mA g-1，以吸水纸为隔膜，锌-聚苯胺电池的放电比容量最高可达129.5 mAh g-1。锌-聚苯胺二次电池在充放电1000次循环后，电池的比容量仍能保持在94.3 mAh g-1，库伦效率在90％以上，而且在负极材料锌片的表面也没有发现锌枝晶。

目录

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 化学电池的介绍

1．1．1 一次电池(原电池)

1．1．2 二次电池(蓄电池)

1．2 锌-聚苯胺二次电池介绍

1．2．2 锌-聚苯胺电池的工作原理

1．3．1 正极——聚苯胺

1．3．2 负极——锌片

1．3．3 电解液

1．3．4 集流体

1．3．5 隔膜

1．4 国内外研究进展

1．5 本论文的研究目的及主要内容

参考文献

第二章 水体系电解液中锌片的性质研究

2．1 实验部分

2．1．1 药品和仪器

2．1．2 电解液的配制

2．1．3 锌电极的制备

2．1．4 不同水电解液体系中锌电极性能的测试

2．2 结果与讨论

2．2．1 锌电极在含有不同一元羧酸盐水体系电解液中的性能比较

2．2．2 锌电极在含有不同二元羧酸水体系电解液中的性能比较

2．2．3 锌电极在含有不同浓度SP水体系电解液中的性能比较

2．2．4 锌电极在含有不同浓度SM水体系电解液中的性能比较

2．2．5 锌电极在分别含有0．1 mol dm-3 SP和0．2 mol dm-3 SM水体系电解液中的性能比较

2．2．6 pH值对锌电极在不同混合酸水体系电解液的性能比较

2．2．7 三元酸物质的量对锌电极在含混合酸的水电解液的性能比较

2．2．8 锌电极在电解液中浸泡30天后的扫描电子显微镜图

2．2．9 锌电极在最佳电解液中进行充放电前后的SEM图

2．3 本章小结

参考文献

第三章 水体系电解液中聚苯胺的性质研究

3．1 实验部分

3．1．1 药品与仪器

3．1．2 电解液的配制

3．1．3 聚苯胺的制备

3．1．4 聚苯胺结构的表征

3．1．5 聚苯胺在不同水体系电解液中的性能测试

3．2 结果与讨论

3．2．1 聚苯胺的电化学沉积法合成

3．2．2 聚苯胺的性质表征

3．2．3 聚苯胺在不同电解液中的性能比较

3．2．4 聚苯胺在含有不同浓度SM的水电解液中的性能比较

3．2．5 聚苯胺电极在含有不同混合酸的水电解液的性能比较

3．2．6 在不同pH值下分别比较三元酸物质的量对聚苯胺在含混合酸4的水体系电解液中的性能的影响

3．3 本章小结

参考文献

第四章 锌-聚苯胺二次电池的充放电性能研究

4．1 实验部分

4．1．1 药品与仪器

4．1．2 电极的制备

4．1．3 电解液的配制

4．1．4 集流体和隔膜

4．1．5 电池的组装

4．1．6 样品的表征

4．2 结果与讨论

4．2．1 集流体的性质

4．2．2 锌-聚苯胺二次电池的充放电研究

4．3 本章小结

参考文献

结论

致谢

硕士期间研究成果

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