本科毕业设计2.docx

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本科毕业设计2

本科毕业设计（论文）

题目铁氰化钾添加剂对锌镍电池性能的影响研究

学院机械与自动控制学院

专业班级08机械设计制造及其自动化

（1）班

姓名刘小兵学号B08310108

指导教师袁永峰

二O一二年月日

毕业设计诚信声明

我谨在此保证：

本人所做的毕业设计，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。

设计说明书与图纸均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。

如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。

声明人（签名）：

刘小兵

2012年月日

摘要

锌镍二次电池具有工作电压高，放电容量大、功率密度高、内阻小、工作温度宽（-20～50℃）、无环境污染、锌储存量丰富，价格便宜等优点,是一种高性能的绿色二次动力电池。

但是，锌电极在充放电循环期间，有向电极中心聚集的倾向，使电极发生变形；随着充放电循环次数的增加，锌电极孔隙率减少，电极致密化；另外锌电极容易生长锌枝晶，可穿透电池隔膜，造成电池快速失效。

锌电极以上问题的根本原因是两性金属锌在碱性溶液中高的溶解性质。

同时，由于电流分布的不均匀和隔膜电渗抽作用也会使溶解的氢氧化锌发生迁移，电池的欧姆内阻急剧增加，影响液相传质，毒化锌电极，电池的自放电增加从而导致电池的搁置寿命下降。

本论文从铁氰化钾添加剂着手，研究铁氰化钾添加剂对锌镍电池电化学性能的影响。

通过扫描电镜观察、电化学循环测试分析发现使用高浓度的铁氰化钾添加剂的锌镍电池循环稳定性明显优于使用低浓度的铁氰化钾的锌镍电池的循环稳定性，并且氧化锌的平均利用率也有所增加。

循环稳定性提高的原因是氢氧化钾电解液中络阴离子，可以阻碍锌在活性生长点上的沉积，减缓突出部分枝晶的生长，改善锌沉积形态，从而抑制锌枝晶的生长及变形。

铁氰化钾添加剂还可以有效地抑制锌电极在碱性电解液中的腐蚀，使其在电极表面的电流密度减小，起到很好的缓蚀作用。

因此，铁氰化钾是改善锌镍电池电化学性能的一个有益电解液添加剂。

关键词：

铁氰化钾；抑制；循环稳定性；锌镍电池；

Abstract

Zinc-nickelbatteryhastheadvantagesofhighvoltage,highdischargecapacity,highpowerdensity,smallinternalresistance,wideoperatingtemperature（-20-50℃）andpollution-freeandrichreserves.However,thezincelectrodeduringthecharge-dischargecycle,thereisatendencytocentralconcentration,electrodedeformation,withtheincreaseincharge-dischargecycles,thezincelectrodeporosityisreduced,gettinghard,densificationoccurs,theotherbranchesofzinccrystalgrowthcanpenetratethemembrane,causingthebatteryfailed.Inthesecondarybattery,thezincelectrodeoftheabovechangesduetozinchydroxideinalkalinesolutionduetohighsolubility.Asthenon-uniformcurrentdistributionandtheroleofmembraneelectro-osmoticpumpingofzinchydroxidedissolvethemigration,cellohmicresistanceincreaseddramaticallyaffecttheliquid-phasemasstransfer,poisoningthezincelectrode,thebatteryself-dischargethebatteryshelflifeleadingtoincreasedown.Thispaperstartedfromtheadditivepotassiumferricyanide,potassiumcyanideofironadditivesonnickel-zincbatteryperformanceimpactstudies.

Onwhethertheadditivepotassiumferricyanidecaneffectivelyinhibitthezincelectrodeinalkalineelectrolyteinthedeformation,dendritegrowth,passivationstudy.Byscanningelectronmicroscopy,cyclictesting,Analysisfoundthattheuseofhighconcentrationsofpotassiumferricyanideadditivezinc-nickelbatterycyclestabilityissuperiortotheuseoflowconcentrationsofnickel-zincferricyanidebatterycyclestability,Theaverageutilizationofzincoxidealsoincreased.Improvethecyclestabilityduetopotassiumhydroxideelectrolyteanions,canhinderzincdepositionontheactivegrowingpoint,slowingthegrowthofdendriticprotrusions,improvezincdepositionpatterns,thusinhibitingthegrowthofzincdendritesanddeformation.Potassiumferricyanideadditivecaneffectivelyinhibitthezincelectrodeinalkalineelectrolytecorrosion,sothatthecurrentdensityontheelectrodesurfacedecreases,whichplayaverygoodcorrosioninhibition.Therefore,theadditivecontainingpotassiumferricyanidepotassiumhydroxideelectrolytebatterycanbeusedasagoodstandard.

Keywords:

potassiumferricyanide;inhibition;cyclestability;nickel-zincbatteries;

绪论

1.1锌镍电池的研究意义

1.2

传统电池含有大量的镉、镍等重金属，如果与生活垃圾混合简易填埋或处理，其内部的重金属等化学物质会通过垃圾渗透沥液或焚烧飞灰排入环境中，这些进入环境中的重金属最终会通过食物链在人体内积蓄，从而危害人体健康。

目前电池虽已经实现低汞或无汞化，电池中的锌、锰等金属元素对环境的危害性也较小，但仍有部分电池的汞含量很高，同时焚烧处理或简易填埋也会对环境造成一定的污染。

研究开发新型绿色电池已经成为各国重大科技发展计划的热点之一。

基于新材料和新科技的高能量密度、无污染、可循环使用的绿色电池新体系不断涌现，迅速发展成为新一代便携式电子产品的支持电源和电动车、混合动力车的动力能量。

在2010年绿色动力电池市场已超过240亿美元。

绿色动力电池的产业发展将对国民经济产生巨大影响。

锌镍电池由锌电极和镍电极组成，兼有锌银电池中锌负极高容量和镉镍电池中镍正极长寿的优越性能，是一种高性能的绿色二次动力电池。

锌镍二次电池的优点有：

电压高（高于镍氢电池和镉镍电池）、放电容量大（一般为铅酸电池的2倍，镍镉电池的1.5倍）、功率密度高、内阻小、工作温度宽（-20～50℃）、无环境污染以及锌的储藏量丰富，价格便宜等。

锌镍电池已成为继铅酸电池、镍镉电池、氢镍电池和锂电池以后，更加廉价和实用的新型高性能绿色动力电池。

虽然锌镍电池相对于其他电池有很大的优越性，但是由于锌电极存在变形、枝晶、自放电和钝化等问题，影响了锌镍电池的循环寿命和使用性能，阻碍了锌镍电池产业化发展，其中最为关键的技术难题是锌电极形变和锌枝晶生长。

通过机理分析可以发现锌电极形变和锌枝晶生长是氧化锌在碱性电解液中反复充/放电下锌的电沉积所导致的。

解决锌电极的形变和枝晶问题是开发和研究锌镍二次电池的重点。

主要的解决途径包括：

改变电解液组成、使用锌电极添加剂、改进隔膜以及改变充电方式等。

其中，电解液添加剂是研究最广泛，使用最成功的。

解决锌镍二次电池存在的问题，使锌镍二次电池在生活中得到普及，成为真正的实用的绿色电池。

1.3锌镍二次电池

1.4

1.4.1锌镍电池在国内外的发展

1.4.2

早在1989年已有人提出锌镍电池。

爱尔兰的Brumm在1930年已将他设计的锌镍电池[1-3]用于列车动力和列车照明。

但是由于其锌电极循环寿命短、深度放电能力差以及其它的历史原因等，使得此种电池的研究工作进展缓慢。

1950年，前苏联开始对锌镍电池进行研究，获得比能量为46.2Wh/kg，循环寿命约为24-70次的电池。

1966年，美国Charkey已在无线电装备中用密封型锌镍电池代替镉镍电池，循环寿命可达100-2000次。

1971年，美国J.S.Murphy研制的开口式锌镍电池，采用无机隔膜和新的充电方法，电池寿命可达500次循环。

1978年，美国雅得纳电器公司研制出寿命为200次循环、比能量为75Wh/kg、C/2倍率放电、60%深度放电的锌镍电池组用于电动车辆。

同时研制出用于宇宙航行器，飞机遥控装置及导弹的低温性能良好的锌镍电池，与同规格的镉镍电池组相比较，容量比率是20.5。

1980年，美国ESB-Ray-O-Vac公司研制的锌镍电池采用振动负极的设计，循环寿命可达1400次，并已经用于车辆动力电源。

1980年，前苏联发明了一种装有双极振动极组的可快速充电的锌镍蓄电池[4]，循环寿命可达3000～4000次，每个工作日可以循环多次，每次充电需1～1.5h。

与铁镍电池和铅蓄电池相比较，装有锌镍电池的车辆每日行程是铁镍电池和铅蓄电池的5倍。

美国能源研究公司研究的锌镍电池[5,6]性能得到显著的改善，与厦门三圈日化公司合资成立厦门三圈益尔希电池公司生产密封锌镍二次电池。

厦门三圈益尔希电池公司是全球第一条同时也是唯一的商品锌镍电池生产商，产品有12V30Ah、12V10Ah和12V10Ah等多种类型，主要是用作电动车、轻便电动车和电动自行车三类产品的动力电源。

其中，MB40-12型12V3