金屬(Mg、Al)微-納米材料的制備及在一次電池中應用研究.pdf

1、高能化學電源中,一次電池因具有高的能量密度、設計的靈活多樣性及價格低廉等優(yōu)勢而備受關注。這類電池的陽極材料大都采用Li、Mg、Al、Zn等活潑金屬,而陽極材料的性能提升將在很大程度上優(yōu)化電池的綜合性能,因此研究這些陽極關鍵材料具有極其重要的現(xiàn)實意義。金屬Mg和Al材料作為陽極材料在電池中具有如下優(yōu)點：①高的理論能量密度；②高的理論電壓；③低成本；④環(huán)境友好、無污染；⑤安全可靠。但在實際電池體系中這些材料存在利用率低和實際放電能量密度低等

2、不足,這些因素都影響其商品化的進程,其反映出來的科學問題主要可分為三部分:活性物質的活性低、陽極表面在電極反應過程中會形成鈍化膜、電解液的不匹配問題導致陽極的腐蝕速率快。利用納米材料的高反應活性、高比表面積以及獨特的材料結構,可有效提高陽極材料的電化學性能。因此,電極材料微納化和篩選適宜的電解液是提高一次電池性能的重要途徑。本文進行了鎂和鋁微/納米電極材料的制備、表征及其作為典型一次電池陽極材料的應用基礎研究。主要內容如下：
　　

3、 ⑴通過改變物理氣相沉積法中的關鍵實驗條件,制備了鎂微米球及微米球/納米球共混形貌,并測試了其在Mg/MnO2電池中的電化學性能。沉積產物的尺寸大小和形貌可通過調節(jié)加熱溫度、加熱時間、載氣流速、沉積溫度等實驗條件加以控制。采用掃描電子顯微鏡、粉末衍射、透射電鏡及高分辨透射電鏡、比表面積測試等技術對材料的微觀組成及結構進行了分析。測試結果表明：鎂材料的比表面積為0.61～1.92 m2 g-1,將這些制備出的鎂材料和商業(yè)高純鎂分別進行了

4、線性掃描、交流阻抗和放電性能測試。經過篩選不同的電解液防腐劑種類和濃度,發(fā)現(xiàn)Mg(NO3)2(2.6 mol L-1)和NaNO2(2.6 mol L-1)的混合溶液因具有較慢的腐蝕速率和較小的電極極化,而適宜應用于高活性的鎂電極。物理氣相沉積法制備的鎂材料可提高電極性能,尤其是鎂微米球(直徑1.5～3.0μm)和納米球(直徑50～150 nm)共混結構的電極性能最佳,其具有較負的起始電位(-1.08 V)、較高的電流密度(163 mA

5、 cm-2)、較小的表觀活化能(5.1 kJ mol-1),主要因為在于電極材料可與電極膏中的導電劑有效接觸,減小了電極極化,從而提高了電極的綜合性能；另外,由鎂微/納米結構和γ-MnO2納米線組裝的Mg/MnO2電池展現(xiàn)出了平穩(wěn)的放電平臺及高的放電比容量等良好的電化學性能。
　　 ⑵采用物理氣相沉積法通過蒸發(fā)商業(yè)高純鋁粉制備出了多種鋁微/納米材料。在制備過程中,采用多孔陽極氧化鋁模板為襯底時,在750～950℃均易得到以微米球

6、為主、納米顆粒為輔的材料,主要因為是具有多孔結構的襯底會影響鋁沉積初期的成核數(shù)量。經調節(jié)襯底種類、載氣流速、加熱時間等實驗參數(shù),摸索出了制備鋁納米棒的最優(yōu)化實驗條件:采用不銹鋼網襯底、加熱溫度選用1000℃保溫10小時、沉積溫度300℃和載氣流速1000 cm3 min-1。制得納米棒的直徑為30～90 nm,長度可達數(shù)微米。高分辨透射電鏡表明,納米棒具有良好的結晶度,晶格條紋間距為0.23 nm,對應鋁晶體結構的(111)晶面,說明鋁