基于疏水/疏油膜的镁空气电池结构设计及电化学性能研究

摘要

随着能源危机及环境问题的日趋严重，寻找安全、清洁、高效的新型能源迫在眉。金属-空气电池具有结构简单、能量密度大、价格低廉等特点，在户外供电、微小型电子设备、中型运载工具、军事等方面都有广阔的应用前景。然而这一类电池却存在气体扩散性较差、孔道堵塞严重等问题，还有待深入研究。本文通过采用疏水疏油膜取代目前研究的空气电极中的气体扩散层，实现气体扩散层与空气电极分离，并对镁空气电池进行外部封装，以研究疏水疏油膜的气体扩散性能和镁空气电池的电化学性能，为气体扩散层和空气电极的设计提供新思路。
　　我们通过溶胶-凝胶处理棉布和氨水腐蚀铜网，然后用有机物进行表面修饰，制备了具有疏水和疏油性能的疏水、疏油膜，并对膜进行了表征测试。通过SEM表征发现，经过溶胶-凝胶处理后的棉布及腐蚀后的铜网，其表面都形成了大量的粗糙结构，这有利于提高膜的疏水、疏油性能。通过接触角测试发现：棉布对水的接触角为140°，铜网对油的接触角为129°，表现出良好的疏水、疏油性。对处理后的棉布及铜网进行长时间测试可知，棉布和铜网长时间使用也不会出现电解液渗漏，依然能保持较好的疏水疏油性能。在同样的进气流速下，疏水棉布和疏油铜网的排水量远大于传统的气体扩散层，分别为54 ml、53 ml，而传统气体扩散层的排水量为19 ml。
　　将疏水膜用于镁空气一次电池中，并对电池进行电化学测试。实验结果表明：在该体系中，镁空气一次电池能长时间保持较高的开路电压，约为1.4 V；电池的最大功密度约为40 mWcm-2；1cm×1.5cm×0.07 cm的镁片能在该体系中放电5 h左右，与直接通氧气的电池接近。说明该疏水膜能起到较好的气体扩散作用，实现了氧气的扩散。
　　将疏油铜网膜用于镁空气二次电池中，研究了其对电池性能的影响。实验发现：较小的透气面积便能为电池提供足够的氧气，使电池能在较大电流下放电；但该膜的气体选择性不好，空气中的水分可通过其进入电池参与反应，生成Mg(OH)2，所以电池测试还需在无水条件下进行；采用该膜组装的镁空气二次电池的放电比容量及放电电压比用传统空气电极组装的电池有了很大提高，且当电流小于100μA时，电池性能基本不受放电电流大小影响，而传统结构电池则随电流增大放电比容量降低；镁片腐蚀和放电产物的不可逆性造成电池的循环性能差。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 镁空气电池简介

1.2.1 镁空气电池原理

1.2.2 镁空气电池的发展及应用

1.2.3 镁空气电池的研究现状

1.3 镁空气电池优点及存在的问题

1.3.1 镁空气电池的优点

1.3.2 镁空气电池研究存在的问题

1.4 空气电极气体扩散分析

1.4.1 气体扩散层对氧气扩散的影响

1.4.2 催化层表面液膜对气体扩散层的影响

1.4.3 催化层内部结构对氧气扩散的影响

1.5 论文研究的目的及内容

1.5.1 研究的目的及意义

1.5.2 研究内容

1.5.3 创新之处

第二章 镁空气一次电池气体扩散性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂及仪器

2.2.2 钙钛矿型催化剂制备

2.2.3 空气电极制备

2.2.4 疏水膜制备

2.2.5 空气电极结构设计及组装

2.2.6 材料与电化学性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 催化剂表征分析

2.3.2 疏水膜表征分析

2.3.3 疏水膜对空气电极电化学性能的影响

2.3.4 疏水膜对镁空气一次电池电化学性能的影响

2.3.5 气体扩散及电化学过程分析

2.4 本章小结

第三章 基于疏油膜的镁空气二次电池性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 疏油膜的制备

3.2.2 空气电极制备

3.2.3 电解液配制

3.2.4 电池装置设计

3.2.5 材料表征及电池电化学性能测试

3.3 结果与分析

3.3.1 疏油铜网膜表征分析

3.3.2 电池结构对电池性能的影响

3.3.3 疏油膜的气体选择性分析

3.3.4 疏油膜的透气性测试分析

3.3.5 疏油膜对镁空气二次电池性能的影响

3.3.6 循环性能分析及优化

3.4 本章小结

第四章 全文总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢