碱性聚合物电解质及其Ni/MH电池研究

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近年来,随着人们对高性能环保电池的迫切需要,镍氢(Ni/MH)电池产业得到了快速的发展。针对目前商品化Ni/MH电池存在充电时内压较高、碱液泄漏和负极氧化等问题,本论文中探索用碱性聚合物电解质代替传统的KOH水溶液电解质,制备碱性聚合物电解质Ni/MH电池。主要研究内容可分为两部分:第一,关于碱性聚合物电解质的制备及性能研究;第二,关于碱性聚合物电解质Ni/MH电池的制备及性能研究。具体内容及主要结论如下:第三章中研究了KOH、H2O、PEG、纳米TiO2、纳米β-Al2O3、纳米SiO2、CMC对PEO基碱性聚合物电解质性能的影响。研究发现,电解质膜的电导率主要依赖膜中KOH和H2O的含量;纳米材料和CMC的添加可以提高聚合物电解质的电导率和机械性能。制备出的PEO基碱性纳米复合聚合物电解质的室温电导率可达10-3S·cm-1数量级,并且具有较好的机械性能和电化学稳定性,其在不锈钢惰性电极上的电化学稳定窗口约为1.6V。在20~60℃范围内,体系的电导率随温度的升高而增加,符合Arrehnius方程。 第四章中用PVA和CMC共混制备了PVA-CMC-KOH碱性聚合物电解质,并用交流阻抗、循环伏安等方法对其性能进行了表征。研究表明,其室温(25℃)电导率可达到10-2S·cm-1数量级,在不锈钢惰性电极上的电化学稳定窗口约为1.6V。膜的储存稳定性较好,存放两个月后,电导率仅发生略微的降低。 第五章中用恒流充放电和电化学阻抗谱方法研究了PVA-CMC-KOH-H2O碱性聚合物电解质Ni/MH电池的性能。电化学阻抗谱测试表明,聚合物Ni/MH电池的电极/电解质界面接触良好,但聚合物电解质的电导率稍低于6MKOH电解液的电导率。恒流充放电测试表明,碱性聚合物电解质Ni/MH电池以C/10、C/5和C/2倍率充放电的充电平台电压分别约为1.4V、1.45V和1.55V;放电平台电压分别约为1.2V、1.1V和1V。在放电倍率不是很高的情况下,聚合物Ni/MH电池的放电性能可以达到液态Ni/MH电池的水平;而当放电倍率超过C/2时,电池的放电电压和放电容量明显降低,放电性能不如液态Ni/MH电池。不同的充电倍率对聚合物Ni/MH电池的放电容量影响不大,电池可以较高倍率快速充电。循环寿命测试表明,本实验中制备的聚合物Ni/MH电池以C/5倍率充放电的首次放电比容量为171mAh·g-1,第2次放电容量上升到188mAh·g-1。从第4次循环开始放电比容量明显地下降,容量衰减过快的主要原因是由于电池密封不严,在充放电过程中聚合物电解质逐渐失水,从而导致聚合物电解质的体电阻和电极/电解质界面的电荷转移电阻变大,造成电池性能衰退。
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学位
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