柔性可充锌-空电池锌电极的电化学制备及电池性能

摘要

柔性可充锌-空气电池具有比能量密度高、成本低、安全性好并且环境优势较大等诸多优点。在柔性能源器件器件领域，柔性可充锌-空气电池的应用前景巨大。目前相关报道中，所使用的锌电极还局限于热处理制备的商用锌箔、锌片或者锌线，不仅种类少而且对于锌电极的设计和研究更是过于单一。本文通过对现有柔性电源器件原型进行总结、分析，从两种角度设计了新型的柔性锌电极材料:多孔锌电极和锌线电极。在适用于柔性电池的基础上，着力提升锌电极种类和使用性能。通过电化学共沉积多孔铜工艺和化学镀铜工艺获得金属性柔性基体，为制备锌电极做好了基础，并且通过调节电沉积锌的相关参数，制备可用于柔性可充锌-空气电池使用的新型锌电极。新型锌电极的制备优点在于过程简单，成本低廉，不引入大功率能耗设备和机械装置。 文章采用扫描电镜(SEM)对多孔铜薄膜、多孔锌电极、化学镀铜线以及锌线电极的形貌、结构进行了观察表征，用能谱分析(EDS)和 X 射线衍射分析(XRD)和场发射高分辨透射电子显微镜(TEM)对多孔铜薄膜、多孔锌电极、化学镀铜线和锌线电极的化学成分进行了检测和分析，系统分析总结了工艺参数（如硫酸铵、硫酸铜浓度、电流密度、沉积时间）对沉积样品表面形貌和结构的影响，并且将新型锌电极用于电池的组装和相关性能的测试。 测试结果表明，以多孔铜薄膜为基体的多孔锌电极和商用锌箔电极相比较，具有更优的充放电性能和锌保有率。虽然柔性特征存在缺憾，但是电池材料具有较好的研究和使用前景；以棉线为基体，经过中间步骤（化学镀铜处理）和最终步骤（电沉积锌处理）获得的柔性锌线电极进行组装的柔性可充锌-空气电池无论在弯曲状态下还是在正常状态下都具有良好的充放电性能和质量比能量密度。文章最后对本实验制备的柔性锌电极、柔性锌电极材料和柔性可充金属-空气电池测试标准等的发展方向和应用前景做了展望。

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马超

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