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锌电极材料的研究

【摘要】:锌电极具有比能量较高、资源丰富以及价格较低等优点,因此在电池工业中得到了广泛的应用。但是,由于锌电极存在着变形、枝晶、腐蚀和钝化等问题,使得循环寿命往往不能满足实际要求,特别在深循环条件下,锌电极的容量下降较快,有关容量下降的机理目前仍未完全弄清楚。而电池性能的提高,很大程度上取决于材料研究的进展。因此,从锌电极材料的组织结构、结晶状态和加工方式对电化学性能影响的角度作进一步研究,对节约资源、降低成本、提高电池的寿命,具有十分重要的理论意义和使用价值。 本文从锌单晶、锌多晶和ZnO纳米晶三个不同的侧面,运用金相分析法、X射线衍射法、透射电镜、动电位极化法、循环伏安法、循环充放电法等方法,分析了组织结构、结晶状态和加工方式与电化学性能的关系。结果表明: 采用生长速度为1mm/h以及生长温度梯度为10℃/cm的生长工艺,通过选择适当形状的生长坩埚,成功制备了完整的锌单晶。对于锌单晶(002)晶面和锌单晶(100)晶面电极,由于各晶面的原子结合力不同,密排面的原子结合力最强,而(002)晶面为其密排面,因此锌单晶(100)晶面的溶解(氧化)速度大于锌单晶(002)晶面;同时,由于锌单晶不同晶面原子排布的疏密度不同,因而电解液中每个“被吸附的锌原子”在电极表面“接触”的原子数不同,其中密排面最少,而金属电沉积的速度随着“接触”的晶格原子数目的增多而增大,因此锌单晶(100)晶面的沉积(还原)速度大于锌单晶(002)晶面。在循环充放电过程中,由于锌原子在每个晶面上沉积时交换电流密度不同,其中(002)密排面的交换电流密度最小,其次是单晶其它晶面,多晶最大,故锌单晶(002)晶面电极、锌单晶(100)晶面电极以及锌多晶电极表面的沉积物密度依次增大,因此枝晶容易在锌多晶电极表面生长。 对于锌多晶电极,由于多晶体中存在大量的晶界、位错等缺陷会提高锌的溶解速度,同时电极表面的位错对还原过程中锌原子的沉积有利,因此锌多晶电极的溶解与沉积速度均大于锌单晶;冷冲压变形的锌多晶电极,不仅存在大量的晶界,而且强烈变形会使位错大量增殖,因此在研究的各种平板锌电极中冷冲压变形锌电极的溶解和沉积速度最大。同时,冷冲压变形的金属锌具有形变织构,对其进行退火处理后会产生明显的退火织构,而且消除了内部残余应力及部分位错,由于应力的消失和位错密度的减小使得具有退火织构锌多晶电极比具有形变织构锌多晶电极的溶解及沉积速度有所降低,而织构对电极电化学性能的影响并不显著。晶粒的增大会减小晶界面积,使得杂质元素集中分布于晶界上,因而锌电极 WP=6 的晶间腐蚀等局部腐蚀加剧,降低锌电极的耐蚀性,但是晶粒度对电极电化学性能的影响相对于位错及其他缺陷要小得多。 通过对ZnO粉体的电化学性能以及纳米ZnO对锌电极改性机理的研究表明,单一ZnO粉体电极的电化学性能较差,无法满足二次电池的要求。而ZnO粉体与锌粉混合的锌电极的电化学性能相对较好。研究表明,由于纳米ZnO粒子的填充作用及表面效应,改善了锌电极反应的传质和传荷条件,因此添加一定量纳米ZnO粉体可以提高锌电极的氧化还原可逆性能以及循环充放电性能。实验表明,添加50%的纳米ZnO可以大大提高锌电极的放电容量。 总之,对于平板锌电极,只要采取各种措施增加电极材料中位错等缺陷就能改善电极的电化学性能;而对于粉体锌电极,在锌粉中添加50%的纳米ZnO,可以改善锌电极的氧化还原反应可逆性,提高锌电极的循环寿命。本文对电极材料的研究与开发具有重要的理论意义与参考价值。

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