电解质水溶液中ZN-PANI二次电池的研究

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现如今世界的能源危机不断,环境污染又日益严重,发现和创造绿色无污染、安全稳定、成本低廉、适合普及推广的高性能电池是极其需要的。而锌-聚苯胺电池恰好满足以上要求,只是聚苯胺电池的技术尚未成熟,离工业化以及大规模的产业化都还有一段距离。因此对聚苯胺电池的研究和对其性能的改进还在不断的探索中。为此,本论文做了如下工作。  本文首先通过循环伏安、交流阻抗、动电位极化等方法主要对比了聚苯胺电极及锌电极分别在硫酸根(SO42-)和氯离子(Cl-)电解质水溶液中,添加一定浓度添加剂后的电化学性质,选择其中性能相对较好的电解液体系进行研究。研究表明:在添加剂的作用下,含Cl-的电解质水溶液中不仅聚苯胺的降解能在一定程度上得到抑制,而且锌电极在其中也不易发生自腐蚀现象。同时,在该体系中,通过循环伏安、交流阻抗、三维表面轮廓仪等表征手段,探究了电解液的pH值以及成份配比对锌电极的性能影响。实验结果表明:在电解液pH约为4.0,氯化锌(ZnCl2)浓度为0.20 mol dm-3,氯化铵(NH4Cl)浓度为0.50mol dm-3时,锌电极的电化学性能、稳定性以及体系的可逆性最佳。  在Cl-浓度相同的体系中,我们通过红外、紫外、XRD以及形貌表征等表征方式对比分析了聚苯胺的不同合成方式对聚苯胺结构的影响。发现合成方式的改变对聚苯胺的结构不会造成影响。在氯离子体系电解液中,通过循环伏安、交流阻抗等方法,探讨出聚苯胺电极最合适的电解质水溶液的pH范围,再对比其分别在不同浓度配比的电解质水溶液中的电化学性质,选择出最佳的电解液配比。实验结果显示,聚苯胺电极在电解液pH约为4.0,ZnCl2浓度为0.20 mol dm-3,NH4Cl浓度为0.50 mol dm-3时能发挥最好的电化学活性。这与锌电极对电解液配比要求的条件一致。然后在最佳配比的电解液中通过循环伏安、交流阻抗等方法测试了聚苯胺的性能。  研究了不同集流体材料:400目不锈钢、50目不锈钢、0.5 mm超薄石墨纸和0.3 mm超薄石墨纸的性能。采用循环伏安,电化学交流阻抗以及动电位极化等手段,对比了不同的空白集流体在电解液中的化学和电化学稳定性。然后以化学氧化法合成的聚苯胺为正极材料,打磨后的锌片为负极材料,以0.20 moldm-3ZnnCl2+0.50 mol dm-3NH4Cl为电解液,组装锌-聚苯胺二次电池,重点研究了不同的充电上限电压、放电下限电压、恒压时间、电流密度、隔膜以及酸浓度等条件对锌-聚苯胺二次电池的充放电性能影响。得出最合适的充放电条件:充电上限电势为1.5 V,放电下限电势为0.7V,恒压时间为1 min,电流密度为50 mA g-1,以吸水纸为隔膜,电解液pH4.0时,锌-聚苯胺电池的放电比容量最高可达78.2mAh g-1。锌-聚苯胺二次电池在充放电1000次循环后电池的库伦效率仍高达100%,而且在负极材料锌片的表面也没有发现锌枝晶。
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