影响锌空气电池工作寿命的因素探究

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随着现代社会对能源的依赖程度越来越高,可持续的能源供应对于政治稳定和经济的持续发展至关重要。锌空气电池因具有相对较高的比能量密度(1218 Wh kg-1)和体积能量密度(6136 Wh L-1),受到了广泛关注。但目前二次锌空气电池却并没有得到商业化,最主要的原因是因为它的工作寿命太短了,不能够达到商业应用的要求。尽管学者们已经进行了许多研究,但在锌空气电池的商业化进程中,仍存在着许多问题:一方面,大量的工作是在实验室条件下进行的,使用电解槽作为电池并且通的是纯氧气,这导致了锌空气电池的部分短板被掩盖;另一方面,许多工作讨论的影响因素较为单一,且没有设立统一的电池性能评价标准与测试环境,这也导致不同工作之间的比较较为困难。为了解决上述问题,我们需要对锌空气电池工作寿命下降的原因拥有更加清晰的认知,并且建立统一的电池性能评价基准。具体工作内容如下:在本文第一部分工作中,我们对锌空气电池的储存寿命进行了研究。首先进行了一系列的比较实验,通过更换电池的各个部件,确认了电池失效的关键因素是电解液的碳酸化。此外,还表征了电池各个组件的形貌和组成。SEM图像表明,随着储存天数的增加,锌阳极的腐蚀逐渐加深,但空气阴极的形貌变化不大。通过ICP(电感耦合等离子光谱发生仪)和滴定法表征了储存了不同时长的电池中的电解液,发现在电池储存20天后,电解质中CO32-的浓度达到2.694 mol L-1,这表明电解液中超过80%的OH-已被消耗。综上所述,在锌空气电池的存储过程中,电解质的碳酸化是造成电池容量下降的主要原因。在本文第二个工作中,我们对锌空气电池的循环寿命进行了研究。从气孔尺寸、电流密度、充放电深度三个影响因素出发,设计了一系列的对比实验,并对实验过后的电池进行拆解和表征。结果表明,较小的气孔尺寸有助于减缓电解液的碳酸化从而达到提升电池循环寿命的效果,但过小的气孔尺寸可能会导致氧气供应不足而导致电池停止工作。较大的放电深度会导致锌阳极的严重形变,从而导致电池失效。而较大的电流密度会导致空气电极中的碳发生溶解和腐蚀,导致空气电极的失效。
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