锌镍电池负极材料氧化锌的表面修饰、掺杂及电化学性能

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锌镍二次电池具有高能量密度,高功率密度,高工作电压,宽工作温度,无记忆效应等特点,是一种绿色环保的高性能二次电池。但是电极变形以及锌枝晶生长等问题制约了锌镍二次电池的发展,使电池使用寿命缩短。针对以上问题,本论文研究了Al掺杂ZnO、ZnO尺寸大小对锌镍二次电池的影响,并且对银修饰ZnO进行了进一步分析。采用溶胶凝胶法及450℃高温煅烧2h得到铝掺杂ZnO。N型掺杂ZnO比普通ZnO具有更高导电率,且铝对于锌沉积的形貌有影响,可以抑制锌晶粒生长。本实验目的是通过铝掺杂抑制锌晶粒生长,减缓锌枝晶生长,来改善锌电极性能。通过对掺铝量摩尔比为1-6%ZnO以及普通ZnO的电极研究,发现Al掺杂ZnO比普通ZnO的循环性能更优异。但是随着掺杂量的提高,部分铝元素成为杂质存在与电极中,影响了电极的性能。虽然掺杂的ZnO初始容量较低,但是在随后的循环过程中逐渐趋于稳定,在第25个循环以后超过了普通ZnO,衰减速度明显小于普通ZnO。在第60个循环的时候,普通ZnO的容量已经衰减为160 mAh g-1,但是掺杂ZnO(1%,2%,3%and 6%)容量分别还有332mAh g-1,436 mAh g-1,510 mAh g-1,266 mAh g-1。这表明通过掺杂的方法可以提高ZnO的循环稳定性。采用溶胶凝胶法和直接沉淀法制备了颗粒尺寸为100 nm和2μm的ZnO,与颗粒尺寸为300 nm的普通ZnO作比较。尺寸越小,电极循环稳定性越好。将循环20周后的锌电极比较发现,大尺寸的ZnO已经进入取向一致的外向生长,这是形成枝晶的现象,而小尺寸的ZnO的取向则还没有趋向一致。因此尺寸越小,ZnO的电化学性能越好。对采用银镜反应法制备的镀银ZnO做了进一步的实验分析。经研究发现,纳米金属Ag颗粒均匀地修饰在ZnO颗粒表面,并且在循环过程中始终维持金属形态。它不但降低了电极的电阻,而且有效地抑制了锌枝晶的生长。通过循环伏安以及交流阻抗的电化学测试结果发现,银由于修饰的量少对电化学过程的抑制有限。在循环伏安曲线中,阳极峰向正向稍微移动了一点,而阴极峰却变陡,这说明镀银能够通过减低电极内阻提高充电效率,但是对于放电过程的影响很小。交流阻抗谱的研究进一步表明,镀银能降低电荷转移电阻,有利于电化学反应过程。
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