锌/镍单液流电池电解液的研究

作     者：宋世野 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨裕生

授予年度：2014年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锌镍单液流电池 电解液添加剂 沉积型锌负极 烧结镍正极 拉浆式泡沫镍正极 

摘      要：锌镍单液流电池无隔膜,仅有一种电解液,结构简单,环境友好,安全可靠寿命长。本文通过循环伏安、恒压极化、扫描电镜、X射线衍射、电感耦合等离子体原子发射光谱法等测试手段对锌镍单液流电池的电解液进行了相关研究,提高了锌镍单液流电池的性能。 本论文首先研究了电解液流速、电流密度和锌沉积面容量三者关系对锌镍单液流电池充放电效率和负极锌沉积形貌的影响。结果表明,锌沉积面容量是影响锌镍单液流电池充放电效率和负极锌沉积形貌的最主要因素;电解液流速不宜过高或过低。随着锌沉积面容量的增大,电池的充放电效率和循环稳定性对电流密度的变化更为敏感,适宜的电解液流速范围也变窄。 研究了碱性沉积型锌负极的动力学及锌沉积机理,结果表明锌沉积过程交换电流密度高,在碱性溶液中锌沉积符合瞬时成核过程,沉积面容量较高时,易生成海绵锌致使电池性能下降。锌离子浓度在0.8M以上,锌负极沉积—溶解方可获得高的库仑效率。在电池充放电循环过程中随着循环次数增加,电解液中K+、Li+、Ni浓度变化不大,Zn2+浓度波动较大,且对电池循环性能影响较大,OH-浓度逐渐减小,C032-浓度逐渐增加,造成ZnO溶解度下降进而对电池循环性能造成影响。 无机电解液添加剂PbO通过基底效应使锌沉积的更致密,采用吸附作用较弱的四乙基氢氧化胺(TEAH)利于锌负极动力学的改善。电解液中添加上述两种添加剂,在高沉积面容量(40mAh/cm2)下,锌镍单液流电池充放电100次仍可保持高的库仑效率。电解液中添加TEAH、PbO对烧结镍正极的循环稳定性影响不大,而添加TEAH使电池的库仑效率和能量效率还有小幅提高。表明有机添加剂四乙基氢氧化铵(TEAH)和无机添加剂PbO与碱性沉积型锌负极和氧化镍正极是相容的。 拉浆式泡沫镍电极面容量高且廉价,但活性物质与基体之间结合较为松散,充放电过程中因体积膨胀而易于脱落掉粉,难以直接应用于锌镍单液流电池。本论文通过双面压制泡沫镍、冲孔塑料板镍丝绑压、冲孔塑料板螺丝固定的方式对泡沫镍正极进行处理,逐步改善了泡沫镍正极的循环性能,尤以螺丝固定冲孔塑料板的处理方式效果显著,并且在流动的电解液中库仑效率、放电面容量较高,初步达到了应用于锌镍单液流电池的要求。