论文部分内容阅读
锌镍电池具有能量密度高,功率密度高,工作电压高,原材料便宜,生产和使用过程均无环境污染等优点,是一种高性能绿色二次电池。但锌电极循环寿命短的问题限制了其商业化应用。本论文以锌镍电池负极材料氧化锌为研究对象,采用均匀沉淀法、气相沉积和机械球磨等方法,分别合成了纳米氧化锌/导电陶瓷、碳包覆氧化锌、氧化锌/碳气凝胶等复合材料,系统研究了导电陶瓷添加剂,表面包覆碳层及与碳气凝胶复合对氧化锌电化学性能的影响。
以Zn(NO3)2和尿素为原料,高温固相反应法制备的导电陶瓷为成核剂,采用均匀沉淀法制备的纳米氧化锌/导电陶瓷复合材料,其纳米氧化锌呈棒状(长度约为200 nm)均匀覆盖在形状不规则的导电陶瓷颗粒(大小范围0.2~2μm)表面,添加导电陶瓷的含量越大,生成棒状结构的氧化锌颗粒形貌越均匀。随导电陶瓷含量的增加,氧化锌的循环稳定性和活性物质利用率逐渐提高,当导电陶瓷含量为14 wt.%的氧化锌在50个循环测试中最稳定,平均放电容量652 mAh g-1,容量保持率达到99.5%,循环结束后电极重量没有明显损失。
纳米氧化锌和PVA按不同质量比分别混合后在700℃下煅烧后得到的非晶碳包覆氧化锌,碳层连续且致密,厚度为5-10 nm。在循环过程中,碳含量为3 wt.%的碳包覆氧化锌循环容量保持率和比容量最高,第40个循环时的比容量还可以保持在其初始比容量的59.78%。通过碳包覆和未包覆氧化锌在循环充放电后微观形貌的比较,表明碳包覆层通过部分减小氧化锌的溶解,从而使锌电极变形速度减慢,致密化程度降低。
氧化锌/碳气凝胶复合材料由湿凝胶按一定比例与纳米氧化锌球磨混合后在700℃氩气保护下加热得到的,纳米氧化锌颗粒均匀分布在碳气凝胶提供的50~80 nm大小网格的空间骨架结构中,氧化锌/碳气凝胶锌电极的放电比容量和循环稳定性同碳气凝胶的含量成正比,含8 wt.%碳气凝胶锌电极经40次循环后容量依然保持在550 mAh g-1以上。不同循环后电化学阻抗测试表明碳气凝胶稳定的骨架结构为 OH的扩散提供稳定的通道,对保持氧化锌的放电容量和改善循环的稳定性更具有持久性。