電動車用鋅-空氣電池模組設計及性能研究.pdf

1、隨著能源和環(huán)境問題的日益嚴重，人們開始尋找新的能源來替代化石燃料以營造良好的生存環(huán)境。新的能源存儲和轉(zhuǎn)化方式中，電化學能源存儲和轉(zhuǎn)化技術（主要包括超級電容器、金屬空氣電池、燃料電池等）被認為是最有效的方式。為此國家大力發(fā)展新能源汽車，新能源汽車的動力主要來源于電池，所以電池的性能將直接影響新能源汽車的發(fā)展。近年來，可充式金屬空氣電池因具有高的比能量、較低的成本以及無污染等優(yōu)點越來越受到大家的青睞。在眾多的金屬空氣電池中，鋅-空氣電池因具

2、有高的比能量、低成本、原材料豐富、放電電壓平穩(wěn)等優(yōu)勢，因而成為下一代最具有應用前景的新能源電池。
　　鋅-空氣電池研究重點在于開發(fā)高效的非貴金屬催化劑來促進鋅-空氣電池放電過程中的氧還原反應，由此提高電池的放電效率，降低能量耗損，同時降低鋅-空氣電池的成本。鋅-空氣電池的性能不僅與催化劑有關，還與鋅-空氣電池的結構有密切關系，為了使高效的催化劑發(fā)揮自身的優(yōu)勢，必須設計與之相關的電池結構，因此人們開始致力于研究用于電動車輛的可充式鋅

3、-空氣電池結構，使鋅-空氣電池逐漸走上商業(yè)化的道路。本研究是在一種自制的高效氧還原催化劑的基礎上，對鋅-空氣電池的結構進行設計和優(yōu)化，最終得到一種能夠滿足商業(yè)化基本要求的機械可充式鋅-空氣電池。主要研究工作如下：
　　1.首先，綜合國內(nèi)外文獻，選取了一種比較好的物料比例制作了鋅-空氣電池的空氣電極?？諝怆姌O主要包括防水透氣層、催化劑層和集流體，按照乙炔黑：聚偏氟乙烯（PVDF）：聚四氟乙烯（PTFE）為7:3:1的比例制作了防水透

4、氣層；以合成的Co-@氮摻雜石墨烯催化劑(7.9 mg)為空氣電極材料，按照活性炭（AC）：乙炔黑：聚偏氟乙烯（PVDF）為6:1:2的比例制作了負載催化劑層；采用泡沫鎳作為集流體，三者組合起來構成空氣電極。采用CHI660E電化學工作站進行測試，實驗結果表明：空氣電極性能優(yōu)異，具有良好的氧還原性能、循環(huán)性能以及使用壽命。
　　2.其次，在空氣電極的基礎上設計了一種水平式機械可充鋅-空氣電池單體及其模組結構。對所設計的鋅-空氣電池

5、組裝并進行恒流充、放電測試，實驗結果表明：水平式鋅-空氣單體電池具有穩(wěn)定的放電電壓，可達1.1 V左右；在5 mA/cm2、10 mA/cm2、20 mA/cm2的電流密度下的放電比容量能夠維持在700 mAh/g左右。待鋅-空氣單體電池充分放電后，鋅電極無剩余，利用率可達100%；伴隨著不斷機械式的更換鋅電極，在5 mA/cm2的電流密度下對單體電池進行連續(xù)充、放電，放電電壓基本穩(wěn)定在1.1 V左右；對于由三節(jié)單體電池組裝的電池組而言

6、，在20 mA/cm2的電流密度下進行放電，放電電壓基本穩(wěn)定在3.3 V左右，電池組的質(zhì)量比容量可達239.87 mAh/g。
　　3.最后，在水平式機械可充鋅-空氣電池結構的基礎上進行結構優(yōu)化設計，設計了一種高比容量垂直式鋅-空氣電池結構。對優(yōu)化后的鋅-空氣電池進行恒流充、放電研究，研究結果表明：垂直式鋅-空氣單體電池具有較高的開路電壓，約為1.4 V；單體電池放電電壓穩(wěn)定在1.2 V左右，比水平式鋅-空氣電池高0.1 V左右。

7、在10 mA/cm2、30 mA/cm2、50 mA/cm2的電流密度下的放電比容量能夠維持在800 mAh/g左右，比水平式鋅-空氣電池高100 mAh/g，并且放電電流密度梯度比水平式鋅-空氣電池大。伴隨著不斷機械式的更換鋅電極，在30 mA/cm2的電流密度下進行連續(xù)充、放電，單體電池放電電壓穩(wěn)定在1.2 V左右；對于由三節(jié)單體電池組裝的電池組而言，在30 mA/cm2的電流密度下進行放電，放電電壓穩(wěn)定在3.5 V左右，放電電壓較