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以泡沫银为集流体的电沉积式锌电极及其电化学性能研究

【摘要】:锌银电池具有高安全性、放电电压稳定、可大电流放电、高比能量等优点,在航天、军事等领域得到了广泛的应用。近年来,随着用电器的发展,对锌银电池的大电流放电能力和能量密度提出了更高的要求。构筑新型结构的锌负极是提高锌银电池整体性能的有效途径。传统压成或涂膏式锌电极,不仅制备工艺复杂,而且大电流放电能力有限。本文以三维多孔结构的泡沫银为基体,采用电化学沉积法制备了枝状结构的锌负极,通过关键参数的优化,对其形貌和结构进行调控,将其3C倍率下放电比容量提高了一倍。 论文中系统研究了电沉积工艺对锌结晶的形貌和锌电极的电化学性能的影响。发现电流密度对锌负极的表面形貌和放电性能影响最大。随电流密度的增大,表面形貌由粒状向枝状、棒状转变,当电流密度为100mAh·g-1,表面形貌为大量蕨叶状枝晶,具有大的比表面积,表现出了最佳的的放电性能,可达587.40mAh·g-1。KOH的浓度影响了锌的析出电位,进而影响了微观形貌,当浓度为为1.20g.cm3时,表现出最佳的放电性能。 超声对锌的电沉积具有积极的辅助作用。随着超声强度的增加,锌负极的枝晶趋向细密化,有利于增大与电解液的接触面积,提高了大电流放电能力。当超声强度为31kHz时,电池的放电性能最好,达到686.92mAh·g-1。加入EDTA添加剂能够显著改变锌结晶的形貌,当EDTA加入量为2.0g·L-1时,呈现细密的枝晶状,电极比容量达到最大值765.6mAh·g-1,加入过多EDTA,会对锌沉积产生空间位阻,抑制了锌枝晶的异向生长,反而降低了其电化学性能。当加入PVP后,PVP较强的诱导作用促使晶面的生长速度明显变快,枝晶的厚度增加。 研究了此锌电极的激活时间特性。当电池静置时间超过5min后,电池的比容量达到600mAh·g-1左右,放电性能稳定。研究了电沉积式锌负极的倍率性能。当放电倍率为1C时,其放出的比容量超过了734.16mAh·g-1随着放电倍率的提高,电池极化增大,放电压平台也不断地升高,电极放电比容量也随之下降,当倍率为10C时,达363.27mAh·g-1。此外,研究了泡沫银基体孔径大小对对锌电极放电性能的影响。分别以450μm、560μm、680μm孔径的聚氨酯泡沫制备泡沫银,继而电沉积制备锌电极,其放电比容量依此为497.41mAh·g-1、587.40mAh·g-1、705.26mAh·g-1(3C),均高于同等条件下工厂体系的放电比容量。当采用3000μm超大孔的聚氨酯泡沫材料时,放电比容量达785.4mAh·g-1(3C),在10C倍率下达565.75mAh·g-1,放电性能优异。

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