覆铅碳素材料的制备及在锌铈电池中的应用研究

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1、分类号密级覆铅碳素材料的制备及在锌铈电池中的应用研究研究生姓名：许烽指导教师姓名、职称：郝喜海(教授)学科专业：材料加工工程研究方向：高分子材料加工与功能化湖南工业大学二○一四年五月二十八日万方数据万方数据万方数据摘要锌铈单电池开路电压可达2.4V以上，约为全钒电池的2倍，且正、负极电解液串液对电极性能不会产生恶化影响，仅降低电池的库仑效率。由于电池在充电过程中，负极上容易产生枝晶，若枝晶持续生长，可能会刺穿电池隔膜，引起正、负极电解液串液，导致电池充放电性能快速衰退。通过对电极材料进行改性和优化负极电解液的组成，可抑制负极枝晶生长

2、，提高锌铈电池运行的可靠性和库仑效率。本文研究了碳素基体（C-PVDF）化学镀铜前处理过程中对铜沉积层形貌及其与基体结合力的影响因素。碱性除油可改善沉积层的均一性；冷热交替实验、接触角测试和偏光显微成像结果表明，机械粗化和化学粗化可改善基体表面的亲水性和提高镀层的结合力。根据混合电位理论，分别对化学镀铜的阴极和阳极过程进行了研究，结果表明，施镀温度和pH值对化学镀铜的阴极过程和阳极过程均有较大影响。温度越高，相同电位下阴、阳极过程的反应电流密度越大；目测法、增重法及偏光显微分析结果表明，当施镀温度低于20℃时，碳素基体上未获得铜沉积

3、层，提高施镀温度，可加快沉积速率，但温度过高，镀层外观质量下降，当施镀温度高于50℃时，会导致镀液分解，获得的沉积层呈暗红色；施镀温度在30～40℃时，镀速较快且可获得色泽光亮的铜沉积层。镀液pH值越大，镀速越快；镀液初始pH值为12～13时，pH越大镀层越光亮；初始pH大于13时，获得的镀层呈暗红色，且镀液分解。通过恒电流电沉积技术和偏光显微分析，研究了酒石酸盐镀铅体系中添加剂对覆铜碳素基体表面的铅沉积形貌的影响。结果表明，添加剂可显著改善铅沉积形貌及提高铅镀层的结合力，当镀液中添加剂的质量浓度为1g/L时，得到的沉积层具有银白色

4、金属光泽，晶粒细小且结合紧密，镀层表面光滑平整，与基体的结合力较好；过量的添加剂会导致镀层质量下降。本文研究了甲基磺酸锌铈电池负极锌沉积形貌的影响因素，恒流充电实验结果表明，负极电解液的组成及负极材料对沉锌形貌有较大影响。负极电解液中含少量氨基磺酸或六次甲基四胺，能够有效抑制锌枝晶的形成与生长，过量的添加剂会降低锌沉积层外观质量。偏光显微照片表明，碳素负极上得到的锌沉积层表面有枝晶突出；覆铅C-PVDF能够显著改善电池的锌沉积形貌，获得的沉积层致密平整，可增加电池运行的可靠性。I万方数据通过恒电流充电-放电实验，研究了甲基磺酸锌铈电

5、池库仑效率的影响因素。负极电解液的组成和负极材料对电池的库仑效率有较大影响；负极电解液中的活性物质（锌离子）和游离MSA分别为1.0～1.5mol/L及1.5mol/L时，电池可获得较高的库仑效率；铅板或覆铅C-PVDF做负极时，电池的库仑效率分别达94.0％和93.1％，而负极采用C-HDPE或C-PVDF时，库仑效率分别降低至87.9％和86.0％。关键词：锌铈电池，化学镀铜，锌沉积形貌，库仑效率II万方数据ABSTRACTTheopencircuitvoltageofzinc-ceriumsinglebatteryisashi

6、ghas2.4V,whichismorethan2timesofall-vanadiumflowbatteries’electromotiveforce,theperformanceoftheelectrodewon’tbedeterioratebycrosscontaminationofpositiveandnegativeliquidelectrolytethatwhichisonlyreducethecurrentefficiencyofthebattery.Zinc-dendritemaybeproducedonthecat

7、hodeintheprocessofchargingandtheionexchangemembranewouldbepuncturedwhichleadtorapiddeclineofbatteryifzinc-dendritegrowthcontinuously.Zinc-dendritedevelopingoncathodecanbeinhibitedandthecoulombefficiencywillbeimprovedthroughmodifiedcathodematerialandoptimizeelectrolytec

8、ompositionandcontent.Inthispaper,influencefactorsonCucladlayermorphologyandadhesionfromthecarbonmaterial(C-PVDF)subst