锌镍碱性二次电池锌负极活性物质氧化锌的改性研究

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锌镍二次电池作为新一代绿色动力电池的代表,一直受到世界上电池能源研究者的关注。锌镍电池具有较高的工作电压和比能量、良好的高倍率放电性能、无记忆效应和绿色环保价廉等优势。然而,广泛的商业化推广锌镍电池还存在一些不足之处,需要相当大的工作加以改进。如锌镍电池的形变枝晶问题和锌电极在碱性体系中的溶解问题。这些都严重的影响着锌镍电池的循环寿命。针对这些难题,国内外学者作了大量的工作。这些工作主要分为三类,第一类:添加添加剂以达到改善阳极材料或电解液的目的;第二类:隔膜的改进;第三类:充放电制度的改进。为此,本论文通过对锌负极活性物质氧化锌的改性,成功合成了CeO2/ZnO复合材料以及碳包覆氧化锌材料,系统研究了该类负极材料对锌镍电池电化学性能的影响,并考察了使用不同碳源合成碳包覆氧化锌材料的微观结构与电化学性能的差异。采用一步水热法合成了CeO2/ZnO复合材料。通过XRD发现Ce02并没有进入ZnO的晶格,而且没有新相生成。EDS能谱说明了CeO2/ZnO表面元素组成为Ce, Zn, O。SEM图谱显示CeO2/ZnO在复合后晶粒尺寸明显增大,并且有部分CeO2包覆在氧化锌的表面。采用Tafel极化、循环伏安、恒流充放电循环电化学测试方法检测了CeO2/ZnO材料的电化学性能。与物理混合的CeO2与ZnO (ZMC)相比,CeO2/ZnO材料具有更正的腐蚀电位、更低的充电平台以及更高的放电平台。更重要的是CeO2/ZnO的循环性能明显优于ZMC。在50次循环过程中,ZMC电极的容量保持率下降至68%,而CeO2/ZnO电极的容量保持率分别高达96.7%,99.1%和95.2%。采用高能球磨法成功合成了不同碳源的碳包覆的氧化锌样品。通过SEM图谱发现碳包覆(碳源:葡萄糖、柠檬酸)样品与纯氧化锌样品有相近的晶粒尺寸与晶型。其颗粒尺寸在100-200nm之间。然而碳包覆(碳源:蔗糖)样品团聚程度很大,颗粒尺寸增大至2-6um。纯氧化锌样品的表面很光滑,而碳包覆样品颗粒表面由于碳层的存在变得非常粗糙。通过EDS能谱发现样品表面的碳含量不同。而通过XRD发现碳粒以无定形碳的形式存在。通过电化学测试发现,碳包覆样品有更加优异的电化学性能,并且能很大程度降低电极的欧姆电阻与反应电阻。其中,碳包覆(碳源:葡萄糖)样品电极拥有最强的抗腐蚀性能和充放电性能。通过循环性能测试,碳包覆样品电极的循环性能远远优于纯氧化锌样品电极。其电化学性能的提高可以归结于碳包覆样品表面独特的碳层结构。
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