超细锌粉的缓蚀及其对锌离子电池性能的影响文献综述

 2021-09-27 20:31:10

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文 献 综 述

1.1选题背景

储能设备现在推动着世界的发展，尤其是各种各样的电池在当代社会生活的各个方面占据着重要的位置。目前广泛使用的电池既有种类繁多的一次电池，也有形式多样的二次电池。其中一次电池不能重复循环使用，且废弃会造成严重的环境污染。相比一次电池，二次电池可以通过充放电循环重复多次使用，能充分利用原材料，故更加经济实用，符合环保条件，同时二次电池还可极大缓解由一次电池废弃带来的重金属污染问题[1]。因此二次电池使用最为广泛也更加具有应用前景。常用的二次电池包括：碱性锌锰电池、锂系电池、镍系电池、铅酸蓄电池和燃料电池等。

一个理想的电池装置，其特点是高容量、有快速充放电能力、安全、环境友好、且成本低。然而，现有的一次电池及常用的二次电池远未达到最终的目标：如镍镉电池虽然具有电压稳定、温度范围广、耐恶劣环境等优点[2]，铅酸蓄电池[3]具有工作电压高、无记忆效应、安全可靠等优点，但这二者均比较笨重且含有毒重金属元素镉和铅，其使用正在被逐渐限制。

目前镍氢电池[4]以其能量密度高、无镉污染、充放电速率高等显著优点，从而取代镍镉电池成为新一代空间用贮能蓄电池，新型金属氢化物镍电池(MH-Ni)已经在混合动力电动车上得到实际应用[5]，但限于负极贮氢材料吸放氢性能和价格等因素的制约，使得镍氢电池还无法实现大规模商品化应用。

锂离子电池是利用Li 作为储能介质来储存电能。其利用Li 可嵌入或脱出的正极和负极材料，在充电时锂离子从正极材料脱出经过电解液然后嵌入到负极(一般为石墨)的层间;当放电时，嵌入到石墨负极的锂离子从负极脱出通过电解液又运动到正极，因此可以把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的正负极，而埋离子在摇椅的两端来回奔跑，所以锂离子电池也叫锂离子摇椅电池(Rockingchairbattery)[6]。锂离子电池以其电压高、比能量大、放电平稳、贮存寿命长等优异性能得到世界各国的关注。这种电池在电子设备上正取代常用的镍镉电池和金属氢化物镍电池，伴随着手机、数码相机、便携式电脑等消费和移动电子产品的强势发展，未来锂离子电池仍将呈现高速增长的态势。但是，由于锂电池的特殊要求，也存在以下几方面不足[7]：首先，采用非水电解质，电导率低，电池工作电流密度小；其次，锂电极表面常生成一层钝化膜，使电池放电时出现电压滞后现象；此外，锂离子电池在大功率输出时可能出现短路、放气甚至爆炸，必须采取特殊预防措施，在存在安全隐患的同时，也增大了电池的成本。总之，锂离子电池具有高功率和高能量密度特性,但安全与环境问题不容忽视[8,9]。

燃料电池[10]原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。与传统电源相比具有能量转换效率高、发电环境友好、安全可靠等显著特点，受到各国政府高度重视，但目前只在小范围有应用，由于成本高、高温寿命和稳定性不理想、没有完善燃料供应体系等技术问题，至今已有的燃料电池均还没有达到大规模民用商业化的程度。

鉴于上述现状，世界各国科研人员在努力对现有主流电池进行改进的同时，也在不断探寻新型二次电池，可充电锌离子电池[11]就是在这样的背景下提出的，其作为新型安全、绿色环保的二次电池，同时具有高能量密度和高功率密度、低成本、充放电迅速等特点，未来有望在消费电子、轨道交通、运输等领域得到广泛应用。

为了对锌离子电池进行深入的研究，本课题以新型二次锌离子电池为研究对象，系统研究其负极材料超细锌粉改性。首先采用实验室用直流电弧等离子体蒸发法制备出比表面积较大的低成本超细锌粉，研究其分散性能，在完成分散工艺的基础上，进一步研究其缓蚀性能，最后配合正极材料实验室制纳米α-MnO2与锌粉负极材料组装成模拟电池，并对其进行充放电性能测试。最终确定最佳的锌离子电池的制备方法，以便于以后的商业化应用。

1.2 锌离子电池工作原理

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