鋅電極材料的研究.pdf

1、鋅電極具有比能量較高、資源豐富以及價格較低等優(yōu)點，因此在電池工業(yè)中得到了廣泛的應用。但是，由于鋅電極存在著變形、枝晶、腐蝕和鈍化等問題，使得循環(huán)壽命往往不能滿足實際要求，特別在深循環(huán)條件下，鋅電極的容量下降較快，有關容量下降的機理目前仍未完全弄清楚。而電池性能的提高，很大程度上取決于材料研究的進展。因此，從鋅電極材料的組織結構、結晶狀態(tài)和加工方式對電化學性能影響的角度作進一步研究，對節(jié)約資源、降低成本、提高電池的壽命，具有十分重要的理論

2、意義和使用價值。 本文從鋅單晶、鋅多晶和ZnO納米晶三個不同的側面，運用金相分析法、X射線衍射法、透射電鏡、動電位極化法、循環(huán)伏安法、循環(huán)充放電法等方法，分析了組織結構、結晶狀態(tài)和加工方式與電化學性能的關系。結果表明： 采用生長速度為1mm/h以及生長溫度梯度為10℃/cm的生長工藝，通過選擇適當形狀的生長坩堝，成功制備了完整的鋅單晶。對于鋅單晶(002)晶面和鋅單晶(100)晶面電極，由于各晶面的原子結合力不同，密排面

3、的原子結合力最強，而(002)晶面為其密排面，因此鋅單晶(100)晶面的溶解(氧化)速度大于鋅單晶(002)晶面；同時，由于鋅單晶不同晶面原子排布的疏密度不同，因而電解液中每個“被吸附的鋅原子”在電極表面“接觸”的原子數(shù)不同，其中密排面最少，而金屬電沉積的速度隨著“接觸”的晶格原子數(shù)目的增多而增大，因此鋅單晶(100)晶面的沉積(還原)速度大于鋅單晶(002)晶面。在循環(huán)充放電過程中，由于鋅原子在每個晶面上沉積時交換電流密度不同，其中(

4、002)密排面的交換電流密度最小，其次是單晶其它晶面，多晶最大，故鋅單晶(002)晶面電極、鋅單晶(100)晶面電極以及鋅多晶電極表面的沉積物密度依次增大，因此枝晶容易在鋅多晶電極表面生長。 對于鋅多晶電極，由于多晶體中存在大量的晶界、位錯等缺陷會提高鋅的溶解速度，同時電極表面的位錯對還原過程中鋅原子的沉積有利，因此鋅多晶電極的溶解與沉積速度均大于鋅單晶；冷沖壓變形的鋅多晶電極，不僅存在大量的晶界，而且強烈變形會使位錯大量增殖，

5、因此在研究的各種平板鋅電極中冷沖壓變形鋅電極的溶解和沉積速度最大。同時，冷沖壓變形的金屬鋅具有形變織構，對其進行退火處理后會產生明顯的退火織構，而且消除了內部殘余應力及部分位錯，由于應力的消失和位錯密度的減小使得具有退火織構鋅多晶電極比具有形變織構鋅多晶電極的溶解及沉積速度有所降低，而織構對電極電化學性能的影響并不顯著。晶粒的增大會減小晶界面積，使得雜質元素集中分布于晶界上，因而鋅電極的晶間腐蝕等局部腐蝕加劇，降低鋅電極的耐蝕性，但是晶

6、粒度對電極電化學性能的影響相對于位錯及其他缺陷要小得多。 通過對ZnO粉體的電化學性能以及納米ZnO對鋅電極改性機理的研究表明，單一ZnO粉體電極的電化學性能較差，無法滿足二次電池的要求。而ZnO粉體與鋅粉混合的鋅電極的電化學性能相對較好。研究表明，由于納米ZnO粒子的填充作用及表面效應，改善了鋅電極反應的傳質和傳荷條件，因此添加一定量納米ZnO粉體可以提高鋅電極的氧化還原可逆性能以及循環(huán)充放電性能。實驗表明，添加50％的納米Z