锌空电池体系发展的若干应用基础和制备技术研究

【摘要】：随着电子技术的飞速发展、各种便携式电子产品的大量普及,人们对化学电源的需求不断增加、对其性能要求也不断提高。在此背景下,发展高比能量、清洁、安全的化学电源体系成为社会发展的重要需求。锌空电池是以空气中的氧作为正极活性物质,以金属锌作为负极活性物质的电池。空气电极利用空气中氧的还原输出能量,而自身在反应过程中不消耗,因此锌空电池的容量仅取决于金属锌的用量。正由于锌空电池体系具有比能量高、放电电压平稳、价格低廉和对环境兼容等特殊优点,因而成为近年来能源领域积极发展的热点体系之一,具有广泛的应用前景。 虽然锌空电池具有其它电池无法比拟的优势,然而由于其为开放体系,造成使用时存在诸多问题,因而限制了其商品化进程。碱性锌空电池发展的主要障碍是电池在激活状态下易受环境的影响而发生电解液“干涸”或吸潮及碳酸化。这主要是由于锌空电池阴极活性物质(氧)必须由外界进入电池内,电池才能正常工作。这样电池不仅需从外界环境吸收氧,而且还存在与其他物质的交换(如水份交换和吸收二氧化碳)。正由于水和二氧化碳的影响,而导致电池的输出能力下降和容量衰减。另外,锌空电池的开放性,也给电池密封带来了一定的困难,这都是锌空电池商品化所必须解决的问题。此外,由于其开放性结构使电池设计和电极工艺具有特殊性的难度,致使锌空电池至今尚没有广泛的商品化与应用。本文围绕锌空电池技术发展的主要问题,研究了正极氧催化还原反应和锌负极钝化反应性质,同时针对锌空电池产业化的主要难题,探索了适合工业化的空气电极的制备新技术,研究了环境条件对锌空电池性能的影响以及相应的解决办法。主要的实验结果和结论如下: 1、采用稳态极化曲线等方法,研究了不同晶型MnO_2 在不同浓度和氧分压下的氧还原反应特征,发现氧在MnO_2上的还原与MnO_2自身电化学还原相关,即氧催化还原反应速度正比于MnO_2 表面Mn~(3+)离子产生速度。实验发现