锌镍电池氧化锌负极存在的主要问题及解决途径分析

锌镍电池氧化锌负极存在的主要问题及解决途径分析

AND 工业和信息化 科学与信息技术 2021年2月 83型锌镍电池负极问题及解决方案研究 顾赛军 台州科技职业学院 浙江台州 摘要 锌镍电池具有高、能源、环保、安全、价格低廉。 它是一种非常好的新能源材料，但由于其负极材料的变形、枝晶等问题，限制了其广泛应用。 本文将介绍锌镍电池氧化锌负极存在的主要问题及解决方案的相关研究。 关键词 锌镍电池； 负极; 形变; 枝晶； 随着经济全球化的发展，能源消耗日益增加，传统能源逐渐枯竭，人们越来越关注环境和能源问题。 锌镍电池不仅具有负极高容量的特点，还具有正极长寿命的性能。 它们还具有工作电压高、工作温度高、能量密度高、功率密度高、无记忆效应等特点，在生产和使用过程中不会产生任何问题。 无污染等特点，并且由于锌的储量丰富，其价格优于市场上常见的其他电池。 尽管锌镍电池具有如此多的优异性能，但由于氧化锌负极的不稳定，其发展和大规模应用受到严重限制。 接下来，本文将重点分析负极存在的问题并总结现有的解决方案。 1 氧化锌负极的主要问题 1.1 锌负极的变形 由于放电过程，锌负极被氧化，形成氢氧化锌或氧化锌，在强碱性KOH电解液中大量溶解，形成锌酸盐离子，但由于其密度较高，沉积在电极下方，导致锌负极在循环放电过程中变形，从而减少负极活性面积，降低电极容量，甚至引起电池膨胀、短路等问题[1]。

负极的放电反应： Zn + 2OH - → Zn(OH) 2 + 2e 或 Zn + 2OH - → ZnO + H 2 O + 2e 1.2 锌负极的枝晶生长 锌负极的枝晶是指充电过程中负极。 锌酸盐离子逐渐还原并沉积在负极上，形成树枝状突出沉积物并迅速生长，导致活性物质从负极脱落，甚至穿透隔膜造成电极短路，导致电池寿命缩短。 减少。 负极的充电反应： Zn(OH) 4 2- + 2e → Zn + 4OH - 1.3 负极的自腐蚀 负极的自腐蚀通常也称为电池的自放电现象。 其本质是负极表面的活性物质由于各种原因造成的。 分布不均匀导致每个点的电化学活性存在较大差异。 一些区域形成阳极，一些区域形成阴极，形成多个微电池系统。 电极中的活性物质很快被消耗，降低电极容量，甚至导致电池故障。 内部压力增加。 腐蚀反应： Zn + 4OH - → Zn(OH) 4 2- + 2e 2H 2 O + 2e → H 2 ↑ + 2OH - 1.4 负极的钝化 锌负极的钝化是当放电反应继续进行时，负极反应产物氧化锌或氢氧化锌会逐渐沉积在锌负极表面，慢慢形成致密的氧化膜，这会减少电极的实际表面积，导致电流密度增加，并加剧电极极化。

钝化会导致负极活性物质利用率下降、容量降低、无法高倍率放电，因此应尽量控制或避免。 2 氧化锌阳极现有解决方案分析 2.1 锌阳极变形和枝晶问题 对于锌阳极变形和枝晶问题的解决，目前的研究主要集中在阳极材料或电解液中添加添加剂和隔膜的改进。 首先改变充电方法 [2]。 (1)添加电极添加剂。 锌负极改性研究一直是锌镍电池的研究热点，最常见的改性是添加负极添加剂。 研究发现，许多添加剂具有一定的改善作用。 例如：In、T1、Cd化合物可以抑制枝晶的生长。 这些物质的添加可以使锌沉积更加致密，增加电极的极化； 添加PTFE、石墨等固定剂可以在负极上形成三维骨架结构。 保持溶解的锌不流失，从而抑制锌枝晶的生长； 但并非所有添加剂都是有益的。 CuO、Fe 2 O 3 、Ga 2 O 3 、V 2 O 5 等金属氧化物的氧化物如果添加，其金属离子会与锌络合，导致电池循环寿命显着下降。 (2)添加电解液添加剂。 电解液中添加剂的主要作用是使充电产物Zn的沉积更加均匀，并降低ZnO在碱性溶液中的溶解度。 它们主要分为两类：非极性添加剂和有机添加剂。 例如SnO、In 2 O 3 等电解液添加剂，由于金属氧化物在锌沉积之前会被还原，减少的金属原子可以提高负极材料的导电性，从而使锌沉积更加均匀，减少锌枝晶。 编队； 添加聚己二醇、四丁基溴化铵等有机表面平滑剂可以使电极表面更加光滑，ZnO的沉积更加稳定。

另外，电解液中添加K 2 CO 3 、LiOH、K 3 BO 3 等可以提高电池的循环稳定性，减少负极的极化。 (3)改进隔膜。 研究发现，增强隔膜的物理性能可以减少枝晶造成的危害，例如短路； 将能够氧化和溶解枝晶的物质，如金属、金属氧化物、氢氧化物等引入到隔膜的微孔中。 表面活性剂等，达到抑制枝晶生长的目的。 另外，充电方式的改变也会对电池性能产生一定的影响。 例如，采用脉冲充电或间歇充电可以减少或消除电极浓差极化，促进锌的致密沉积，改善枝晶生长。 的目标。 2.2 负极自腐蚀问题 负极自腐蚀问题的研究主要集中在以下三个方面：①发展锌合金。 研究表明，锌与钙形成锌酸钙，锌与铝形成锌铝水滑石，能更好地抑制自腐蚀现象。 ②添加负极添加剂，如HgO，具有良好的耐腐蚀性，但由于毒性较强，很少使用。 目前Bi、Cd、Ga、In、Sn、Pb等因其较好的耐腐蚀性能而被研究较多。 ③电解质添加剂。 有研究发现柠檬酸等添加剂也能在一定程度上抑制自腐蚀。 2.3 负极钝化问题 解决钝化问题：研究表明，当电极为固相且表面疏松多孔时，电极不会被钝化。 因此，采用多孔电极改变负极结构、增大比表面积可以有效解决钝化问题[3]。

3 结论 锌镍电池是一种高能、环保、安全、价格低廉的良好新能源材料。 人们对它的开发和研究可以追溯到一百多年前。 但由于其负极变形、枝晶、溶解等问题一直限制其大规模应用。 近年来，越来越多的研究机构加入到其研究领域进行深入研究，并取得了一定的研究成果，如浙江大学、中南大学、武汉大学等。国内锌镍电池生产也有了一定的发展。进入工业化，发表于《科学与信息技术》2月21日.indd 83 2021/2/3 15:21:42。 。 。 。 。 。