镍锌超级电池的研究.docx
大连交通大学学报 2014年35期5号 2014年10月� ... 1673-9590(2014)05-0089-03 镍锌超级电池研究 王建海，徐红峰，沈阳，董一鸣，徐鹏程 (大连交通大学环境与化学工程学院，辽宁大连)*摘要：将不同比例的活性炭掺杂到镍锌电池的锌负极中，制备出一种新型电极，用此电极制备的电池兼具电池性能和电容器性能，电池容量为25mAh。对普通镍锌电池和镍锌超级电池进行4种不同倍率充放电测试，普通镍锌电池在高倍率下充放电能量效率较低，而镍锌超级电池可以在高倍率下充放电，20%C的镍锌超级电池循环寿命最长。 关键词：镍锌电池；超级电池；锌负极 文献标识码：ADOI:10.13291/jki。。2014.05.0210 引言 电池的能量效率远低于镍氢电池[5]。中国工程院周国泰院士资源的短缺和环境污染的日益严重，使得寻找高效、清洁、可持续的新能源成为发展趋势，并成为世界各国关注的焦点。镍锌电池的主要优点是：比能量高达50-80Wh/kg，比功率高达200W/kg，使用温度范围宽，为-20-65℃，原材料来源广泛，价格低廉，对环境无污染。目前，镍锌电池技术研究已经成熟，在电源方面还是很稳定的[1]。虽然镍锌电池取得了一些成果，但仍然存在一些致命的弱点，例如使用寿命短，高倍率充放电效率差。 2006年7月，韩国公布了一项“高性能储能装置”专利，主要介绍了一种将超级电容器与铅酸电池耦合在一起的电池，称为超级电池。这种超级电池具有高倍率充放电性能，实测寿命是普通铅酸电池的4倍。2006年，澳大利亚CSIRO能源基金会研究所的Lam等人首次报道了超级铅酸电池的创新[2]。日本WA公司与澳大利亚CSIRO研究所合作，研发用于混合动力汽车的超级铅酸电池[3]。目前，日本古河电池公司制备的超级电池正在推向日本、欧美市场，并接受汽车制造商的测试[4]。日本公司与澳大利亚CSIRO研究所将超级电池安装在本田混合动力汽车上，测试结果表明，其化学性能与镍氢电池相近，但价格要高出许多。日本WA公司与南车集团合作开发高能量镍碳超级电容器纯电动大巴，与天津一汽夏利公司、天津松正电动汽车有限公司合作开发C级平台高能量镍碳超级电容器轿车，同时还将该产品在纯电动小巴、电动自行车、便携式红光照射器等产品上进行装机测试。此电容器兼具一般超级电容器和电池的优良性能，如比容量高、循环寿命长、充放电效率高，可进行高倍率充放电，性价比高。本实验主要研究镍锌电池的Zn负极，在负极上掺杂不同比例的C制成超级电池，测试电池性能和循环寿命。1实验部分1.1实验材料镍极；锌粉；活性炭；氧化锌；聚四氟乙烯乳液（PTFE）；泡沫镍基底（孔隙率95%，厚度1.6～1.8 mm）；聚乙烯薄膜；6 mol/L KOH；镍带（铅）。 1.2 电极的制备Zn电极的制备工艺工艺流程：将Zn、ZnO、C、PTFE按一定比例混合后均匀涂在镍网上，然后在烤箱中干燥1h，将干燥的电极压成片状，最后用分析天平称重。制备的4片电极片计算如表1所示：*收稿日期：2014-03-17作者简介：王建海(1987-)，男，助教，硕士，主要从事电化学研究E-mail：@qq. com. 90大连交通大学学报 Vol. 35表1不同电极组分含量电极材料镍网/g氧化锌/g锌粉/g活性炭/g碳含量/%经计算，第一次放电循环实际容量为10.3mAh，第二次为14.0mAh。理论上1号电池充电2h时容量为28mAh，充电3h后，2号电池的容量为28.6mAh，也就是说充电3h后电池就充满电了，反复实验可知电池的容量约为25mAh。4号0.10380.30801.13430。将上述制备的1、2、3、4号电极片分别与购买的镍电极一起制成电池，中间膜为聚乙烯薄膜，电解液为6mol/L KOH。 1.3电池容量测试镍锌电池理论比能量为345Wh/kg，实际比能量在50~80Wh/kg之间，实际比能量效率为14。
5%～23.2%，1g Zn负极材料的理论容量应为819.7mAh，而外购的镍电极中Ni2O3活性物质的含量为0.14g，其理论容量为151.66mAh。制备出的镍锌超级电池中Zn负极活性物质的含量远大于外购的镍正极材料的含量，因此制备出的镍锌超级电池的容量按照镍电极来计算。取5号Zn电极片，Zn粉含量1.7324g，ZnO含量0.3063g，在恒流20mA条件下进行两次充放电测试，充电时间为1h，放电截止电压为1.2V，充电3h后再放电，截止电压为1.2V。 1.4 不同倍率下镍锌超级电池充放电测试以制备好的电极1、2、3、4作为镍锌超级电池负极材料，制备出镍锌超级电池。然后利用陆地电池测试系统对制备好的四种不同电池进行不同倍率（0.4C、0.8C、1.2C、1.6C、2.0C）充放电。1.5 镍锌超级电池寿命测试从不同倍率下的充放电过程中，以充放电效率最高、放电容量最大的条件进行充放电循环寿命测试。1.6 三种不同镍锌超级电池充放电曲线对比从三组超级电池寿命测试中，每种电池前50次循环中选取一条充放电曲线（因为前50次循环具有可比性）然后进行比较。 2 实验结果与讨论 2.1 电池容量 将制备好的5号电池按图1所示循环充放电，电池的实际放电容量由公式Q=∫UIdt计算 图1 电池容量测试 2.2 碳含量对不同倍率放电的影响 将制备好的1号、2号、3号、4号超级镍锌电池，分别以0.
分别在0.4C，0.8C，1.2C，1.6C，2.0C不同倍率下进行充放电测试。图2 镍锌电池1号倍率放电测试表2 不同倍率下电池的充放电效率（％）不同倍率0.4C 0.8C 1.2C 1.6C 2.3C 2C镍锌电池3D图。结果表明，镍锌电池的能量效率为0.0847王建海等：镍锌超级电池的研究91号5王建海等：镍锌超级电池的研究91从图2可以看出，未掺杂C的锌电极的镍锌电池，高倍率放电效果较差。当以2C倍率放电时，能量效率几乎为零，说明Ni-Zn电池的高倍率放电效果相对较差。对2号~4号电池在五倍率条件下进行三次测试，电池充放电效率参数如表2所示。从表2可以看出，碳掺杂后电池可以在高倍率下充放电，并且随着倍率的提高，充放电效率提高。2.3碳掺杂对超级电池循环寿命的影响为了检测循环寿命，对2号、3号、4号电池进行2C（50 mA）测试，而不含C的Zn电极则在0.8C（20 mA）下测试。测试如图3所示，从图中可以看出镍锌电池的充放电情况（a）普通镍锌电池（b）超级电池图3 碳掺杂对电池寿命的影响在20次循环后，其充放电效率只有20%，循环寿命较短。C掺杂的镍锌超级电池的充放电寿命远远高于非C掺杂的镍锌电池。C掺杂的10%电池在前100次循环中充放电效率最高，但随着循环次数的增加，衰减较为严重。C掺杂的20%电池在200次循环后效率仍然保持在85%左右，其循环寿命远远高于一般的镍锌电池。3 结论 (1)通过电池容量测试发现，制备的电池容量为25mAh； (2)高倍率放电下镍锌电池充放电效率较低，在2C放电下无法放电。超级镍锌电池不仅能在高倍率下充放电，而且随着倍率的提高，充放电效率(能量效率)不断提高；(3)超级镍锌电池的循环寿命远高于一般镍锌电池，以C掺杂20%电池循环寿命最长，经200次充放电循环后，其效率仍保持在85%左右。参考文献： [1] 高子明，吴彩霞. 镍锌电池研究进展［J］． 电源技术， 1997，21(2) :83 -85 ． ［2］LAM LT，LOUEY． ［3］LAM L，LOUEY Ｒ，HAIGH NP，等，高倍率 η 态 VＲLA 性能研究［J］，J．