论文部分内容阅读
锌/空气电池具有安全性好、理论比能量高、价格低廉等优点,在便携式移动电源、储能系统、电动汽车及可穿戴电子器件等方面都有着广阔的应用前景。氧还原电极是锌/空气电池的核心组件,对锌/空气电池的性能和寿命有着重要影响,而高性能、长寿命的氧还原电极是锌/空气电池工业应用的关键。目前大量的研究工作都集中于提高氧还原催化剂性能,对电极结构与性能、稳定性之间的关系的研究相对较少。本论文针对氧还原电极极化损失大、稳定性差等问题,设计制备了一种疏水通道连续且梯度分布的新型氧还原电极,通过谱学显微技术和电化学分析等表征手段研究了电极结构与性能的内在联系,还考察了免切换三电极体系MnO2/C催化剂的腐蚀规律。氧还原电极通常由气体扩散层（GDL）、集流体（CCL）和催化层（CL）三部分构成。本研究中的气体扩散层是将碳纤维毡（CFF）经过聚四氟乙烯（PTFE）乳液疏水化处理所得,通过接触角、气体渗透性和透水压等测定表征手段研究了PTFE含量对气体扩散层物理性质的影响,利用电化学分析手段研究了电极及由电极组成的锌/空气电池的化学性能。结果表明,碳纤维毡经疏水化处理后接触角均大于90°,有良好的疏水性;随碳纤维毡中PTFE含量增加,碳纤维GDL的气体扩散性下降,透水压升高;而相应电极的电化学性能随PTFE含量的增加而降低。多孔泡沫镍常被用于氧还原电极的CCL。本研究将导电碳粉和PTFE填充于泡沫镍的三维空隙中进行疏水化处理,通过扫描电镜（SEM）、接触角、电阻率、气体渗透性、透水压和亲疏水孔隙率等表征手段,测试了疏水化泡沫镍的物理性质,并将其组装成电极进行电化学表征。结果显示,疏水化处理后的泡沫镍具有良好的疏水性、较大的透水压和较好的气体渗透性。优化后,发现当泡沫镍中碳粉和PTFE的总载量为0.027 g·cm-2,m（碳粉）:m（PTFE）为2:3时,CCL具有最低的电阻率和合适的透水压,并显示出最好的电化学性能。电极制备过程中将GDL、CCL和CL压合在一起所需压强也对电极性能有重要影响,经研究发现,当压强为10 MPa时得到的氧还原电极性能最优。设计并制备了一种疏水孔道结构连续且梯度分布的新型氧还原电极,并对电极结构进行了表征,用电化学工作站和电池测试仪对电化学性能进行了测试。结果表明,新型电极最大功率密度达252 mW·cm-2,高出传统电极17 mW·cm-2;寿命达3600 h,是传统电极的3-10倍;同时新型电极最大功率密度约为商品电极的1.6倍,寿命约为商品电极的6倍。通过SEM、能谱（EDS）、热重（TG）、电阻率、电化学阻抗谱（EIS）和电池测试等表征,进一步探究了新型电极性能和寿命提高的原因,发现新型的集流体有较低的电阻率,可以避免电解液在电极内部积累和预防碳酸盐化。针对锰基催化剂在免切换三电极二次锌/空气电池中易腐蚀问题,本研究将锰基催化剂的活性组分与载体分离,分别探究了MnO2和碳载体与电位的关系。结果表明,在高电位区间MnO2催化剂的活性先提高后降低,在中电位区间催化性能持续升高,在低电位区间催化性能持续下降;而碳载体在高、中、低、三个电位区间均显示了性能逐渐衰减的趋势。说明锰基催化剂在高电位下不稳定既与MnO2有关,又与碳载体有关。但构效关系还需要进一步研究。