鋅鎳電池氧化鋅基負極材料的制備及電化學性能.pdf

1、鋅鎳電池具有高能量密度、高功率密度、高工作電壓,無記憶效應,原材料來源和無環(huán)境污染等特點,是一種具有重要應用前景的高性能綠色電池,但循環(huán)充放電過程中鋅電極變形與枝晶生長,導致其使用壽命較短,其大規(guī)模應用與推廣受到極大限制。為此,本文以鋅鎳電池負極材料氧化鋅為研究對象,以提高鋅電極的電化學性能為目的,采用機械球磨和固相法制備了多種氧化鋅基復合氧化物粉體如ZnO-Bi2O3、ZnO-Bi2O3-YNbO4及ZnO-Bi2O3-Co2O3-C

2、o3O4;并以其為成核劑,采用均勻沉淀法分別制備了ZnO/ZnO-Bi2O3、ZnO/(znO-Bi2O3-YNbO4)以及ZnO/(ZnO-Bi2O3-Co2O3-Co3O4)等三種納米復合材料,并對其物相組成、形貌、微結構和電化學性能進行了系統(tǒng)研究,深入討論成核劑對氧化鋅材料電化學性能的影響,主要結論如下:
　　 (1)以Zn(NO3)2和尿素為原料,直接沉淀法制備的納米氧化鋅顆粒直徑約60-120 nm,且大小不均。電化學

3、研究發(fā)現(xiàn),納米氧化鋅的平均放電容量為467.5mAh g-1,存在容量衰退嚴重,充放電平臺不穩(wěn)定,循環(huán)可逆性較弱等問題。由于外延生長的作用,60次循環(huán)過后,納米氧化鋅顆粒由平均粒徑90 nm左右的偽球形顆粒轉變?yōu)殚L度0.8μm、徑向0.6μm的柱體,導致比表面積減小和電化學性能變差。
　　 (2)以ZnO-Bi2O3為成核劑得到的氧化鋅顆粒約30-60 nm,大小均勻,且結構致密。研究發(fā)現(xiàn),15wt.％含量的ZnO/ZnO-Bi

4、2O3復合材料在循環(huán)測試中性能最穩(wěn)定,平均放電容量為590.2 mAh g-1,具有最低的充電平臺和最高的放電平臺,充放電中值電壓最接近,分別為1.87 V,1.678 V。添加ZnO-Bi2O3使鋅電極的反應可逆性得到明顯改善,且60次循環(huán)后,形成緊密接觸的氧化鋅片狀結構,顆粒明顯小于純氧化鋅,使其具有更好的電化學性能。
　　 (3)以ZnO-Bi2O3-YNbO4粉末為成核劑得到的氧化鋅雖然顆粒大小不均勻,但明顯小于純納米氧

5、化鋅顆粒(約20-100 nm),且結構更加致密。電化學性能研究發(fā)現(xiàn),15wt.%的ZnO/(ZnO-Bi2O3-YNbO4)復合材料具有最好的電化學性能,平均放電容量為555.9 mAh g-1,活性物質利用率為80.6%,平均充放電中值電壓分別為1.87 V、1.679V,電化學反應可逆性得以明顯改善。材料形貌衍變分析表民那個,60次循環(huán)后的氧化鋅基本保持了棒狀結構,柱體向兩端生長,徑向尺寸增加較少,保持在納米尺寸內(nèi),具有較高的電化

6、學活性。
　　 (4)以ZnO-Bi2O3-Co2O3-Co3O4粉末(下文簡稱為C1粉末)為成核劑得到30-60nm的氧化鋅顆粒,大小均勻,結構致密。電化學性能分析得,15wt.%含量的ZnO/C1復合材料的電化學性能最好,平均放電容量為595.8 mAhg-1,是理論容量的90.9%,容量衰減速率為0.5 mAh g-1/cycle,具有最低的充電平臺電壓和最高的放電平臺電壓,電化學反應可逆性得到明顯改善。60次循環(huán)后的Zn

7、O/C1復合材料中的氧化鋅呈現(xiàn)花簇狀結構,使其具有較好的電化學性能。
　　 (5)由上可見,在共沉淀制備氧化鋅過程中,三種成核劑均可以有效改善鋅電極的電化學性能,分析認為其原因是:
　　 1)在充放電過程中,成核劑作為活性材料穩(wěn)定的成核生長點,使氧化鋅均勻分布在其表面,成核劑和氧化鋅之間的結合力,使氧化鋅的溶解得到了有效控制;
　　 2)成核劑的存在破壞了氧化鋅的緊密堆積,增加了氧化鋅的反應活性表面積,保持了氧化