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作者：

牛福

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摘要：

随着能源和环境问题的日益严重,人们开始寻找新的能源来替代化石燃料以营造良好的生存环境。新的能源存储和转化方式中,电化学能源存储和转化技术(主要包括超级电容器、金属空气电池、燃料电池等)被认为是最有效的方式。为此国家大力发展新能源汽车,新能源汽车的动力主要来源于电池,所以电池的性能将直接影响新能源汽车的发展。近年来,可充式金属空气电池因具有高的比能量、较低的成本以及无污染等优点越来越受到大家的青睐。在众多的金属空气电池中,锌-空气电池因具有高的比能量、低成本、原材料丰富、放电电压平稳等优势,因而成为下一代最具有应用前景的新能源电池。锌-空气电池研究重点在于开发高效的非贵金属催化剂来促进锌-空气电池放电过程中的氧还原反应,由此提高电池的放电效率,降低能量耗损,同时降低锌-空气电池的成本。锌-空气电池的性能不仅与催化剂有关,还与锌-空气电池的结构有密切关系,为了使高效的催化剂发挥自身的优势,必须设计与之相关的电池结构,因此人们开始致力于研究用于电动车辆的可充式锌-空气电池结构,使锌-空气电池逐渐走上商业化的道路。本研究是在一种自制的高效氧还原催化剂的基础上,对锌-空气电池的结构进行设计和优化,最终得到一种能够满足商业化基本要求的机械可充式锌-空气电池。主要研究工作如下:1.首先,综合国内外文献,选取了一种比较好的物料比例制作了锌-空气电池的空气电极。空气电极主要包括防水透气层、催化剂层和集流体,按照乙炔黑:聚偏氟乙烯(PVDF):聚四氟乙烯(PTFE)为7:3:1的比例制作了防水透气层;以合成的Co-@氮掺杂石墨烯催化剂(7.9 mg)为空气电极材料,按照活性炭(AC):乙炔黑:聚偏氟乙烯(PVDF)为6:1:2的比例制作了负载催化剂层;采用泡沫镍作为集流体,三者组合起来构成空气电极。采用CHI660E电化学工作站进行测试,实验结果表明:空气电极性能优异,具有良好的氧还原性能、循环性能以及使用寿命。2.其次,在空气电极的基础上设计了一种水平式机械可充锌-空气电池单体及其模组结构。对所设计的锌-空气电池组装并进行恒流充、放电测试,实验结果表明:水平式锌-空气单体电池具有稳定的放电电压,可达1.1 V左右;在5 m A/cm2、10 m A/cm2、20 m A/cm2的电流密度下的放电比容量能够维持在700 m Ah/g左右。待锌-空气单体电池充分放电后,锌电极无剩余,利用率可达100%;伴随着不断机械式的更换锌电极,在5 m A/cm2的电流密度下对单体电池进行连续充、放电,放电电压基本稳定在1.1 V左右;对于由三节单体电池组装的电池组而言,在20 m A/cm2的电流密度下进行放电,放电电压基本稳定在3.3 V左右,电池组的质量比容量可达239.87 m Ah/g。3.最后,在水平式机械可充锌-空气电池结构的基础上进行结构优化设计,设计了一种高比容量垂直式锌-空气电池结构。对优化后的锌-空气电池进行恒流充、放电研究,研究结果表明:垂直式锌-空气单体电池具有较高的开路电压,约为1.4 V;单体电池放电电压稳定在1.2 V左右,比水平式锌-空气电池高0.1 V左右。在10 m A/cm2、30 m A/cm2、50 m A/cm2的电流密度下的放电比容量能够维持在800 m Ah/g左右,比水平式锌-空气电池高100 m Ah/g,并且放电电流密度梯度比水平式锌-空气电池大。伴随着不断机械式的更换锌电极,在30 m A/cm2的电流密度下进行连续充、放电,单体电池放电电压稳定在1.2 V左右;对于由三节单体电池组装的电池组而言,在30 m A/cm2的电流密度下进行放电,放电电压稳定在3.5 V左右,放电电压较高,电池组的质量比容量可达250.06m Ah/g,高于水平式锌-空气电池,基本可以满足商业化的要求。

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关键词：

电动汽车；锌-空气电池；空气电极；电池结构；质量比容量

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1017.821776