论文部分内容阅读
近年来人们对高容量镍氢(Ni-MH)电池的需求日益显现。现有商业版Ni-MH电池的负极材料（LaNi5型储氢合金）的实际容量（330mAh·g-1）已接近理论容量(348 mAh·g-1)，提升空间狭小;此外，La为稀土金属材料，价格昂贵，必须寻求具有高容量且价格低廉的储氢合金以满足新型Ni-MH电池的发展需要。A2B型合金中Mg2Ni储氢合金因其高理论容量(999 mAh·g-1)、储量丰富、价格低廉等优点，深受国内外学者的关注。将Mg2Ni储氢合金作为传统Ni-MH电池的负极材料，经充-放电循环后，合金表面在强碱电解液的作用下形成了致密Mg(OH)2氧化层，循环寿命急剧下降。采用聚合物电解质膜取代原有KOH电解液的构想应运而生。 本文在实验室已有PVA基聚合物电解质膜的研究基础上，引入半互穿聚合物网络结构的思想制备了PVA-PAA-KOH聚合物电解质膜，采用红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)等微结构分析方法和交流阻抗(AC)、循环伏安（CV)等电化学测试技术，探究了聚合物电解质膜的最优化工艺参数，并考察了测试温度、碱液浓度与浸泡时间、添加剂含量对PVA-PAA-KOH聚合物电解质膜电化学性能的影响，最后通过恒电流充-放电的电化学测试技术考察了实验聚合物电解质膜和氢化燃烧合成与机械球磨法制备的镁基储氢合金制作的模拟聚合物Ni-MH电池的循环性能。 在第一章聚合物电解质膜分类、导电机理、聚合物Ni-MH电池的研究进展与第二章立论依据、实验方案的基础上，本文第三章采用溶液浇铸法，向PVA溶液中加入不同中和度的丙烯酸(AA)，在引发剂过硫酸钾(KPS)、交联剂N，N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)的作用下成功制备了均相PVA-PAA共混膜;后采用碱液活化法将共混膜浸于KOH溶液中得到PVA-PAA-KOH聚合物电解质膜。研究表明，AA可以有效提高体系的含水量以及降低体系的结晶度;采取适宜的AA中和度(75 mol％)与MBA含量(4％)，当PVA-AA质量比为7∶3时，PVA-PAA-KOH聚合物电解质膜室温条件下离子电导率可达19.93×10-3 S·cm-1，电化学稳定窗口2.0 V以上，能够满足Ni-MH电池的需要。进一步增加AA含量，PVA-PAA-KOH聚合物电解质膜的离子电导率呈递增趋势，最大可达35.46×10-3 S·cm-1，电化学窗口未发生明显变化，但机械性能、溶胀度性能不断下降，考虑综合性能，PVA-AA质量比应当为7∶3。 本文第四章以制备参数已优化的PVA-PAA-KOH聚合物电解质膜为研究对象，探究了温度、碱液浓度与浸泡时间、纳米SiO2添加剂含量对电解质膜离子电导率、电化学稳定性的影响，同时通过直接观察法检测了聚合物电解质膜的耐碱性能，最后考察了聚合物电解质膜和LaNi5为负极的模拟Ni-MH电池的循环性能。研究表明，PVA-PAA-KOH电解质膜导电行为符合Arrhenius方程，活化能为3.58 kJ·mol-1;碱液浓度与浸泡时间的最佳值分别为6 mol·L-1和24 h;经过70天强碱溶液的浸泡，电解质膜颜色和机械强度的微弱变化展示了该聚合物电解质膜良好的耐碱性能;前50次循环中，模拟聚合物Ni-MH电池的放电容量不断上升并维持在300 mAh·g-1，说明该聚合物Ni-MH电池具有较好的循环稳定性，同时放电平台(1.2 V)清晰可见，这证明了PVA-PAA-KOH聚合物电解质膜应用于Ni-MH电池的可行性。 本文第五章将PVA-PAA-KOH聚合物电解质膜应用于以镁基材料为负极的Ni-MH电池中，并采用恒电流充-放电的电化学测试技术优化了聚合物Ni-MH电池的制备工艺参数。结果显示，聚合物Ni-MH电池的首次放电容量随Mg2NiH4合金粉与Ni粉质量比的增加而缓慢增加，考虑后续过程的损失，质量比采用1∶4;当制片压力较大时，Mg2NiH4与Ni粉的接触良好，故模拟电池放电容量增加。与传统Ni-MH电池相比，聚合物Ni-MH电池具有较好的循环稳定性:尽管首次放电容量不及传统Ni-MH电池，但由于第二次放电容量为首次容量的53.0％，传统Ni-MH电池仅达到23.5％，故两者其余放电容量大致相同。提高聚合物Ni-MH电池的首次放电性能是当务之急。