镍锌二次电池：优势与问题并存，探索解决方案的研究进展

镍锌二次电池：优势与问题并存，探索解决方案的研究进展

概括：

众所周知，解决能源问题是当今社会的重中之重。我们研究的镍锌二次电池具有功率密度高、工作电压高、安全系数高、材料来源广泛、生产成本低、对环境无污染等优点，符合可持续发展的理念，是一种可靠的能源装置。但是，镍锌二次电池由于其自身的一些问题尚未解决，如锌负极变形、锌枝晶、循环性能差等，未能得到广泛的推广和使用。本文系统阐述了镍锌二次电池的发展历史和国内外的研究现状，并分析了镍锌二次电池目前存在的主要问题。 它采用直接机械搅拌的方式将氧化锌与碳材料（单层石墨烯、单壁碳纳米管）进行物理混合，化学合成碳纳米管填充材料、石墨烯复合材料，并从理论上研究如何合成氧化锌与多孔碳复合材料，以达到降低负极活性材料溶解度、提高镍锌电池性能的目的。实验过程中对物理混合材料和化学合成负极材料进行了详细的研究。利用傅里叶变换红外光谱分析（FTIR）、X射线衍射测试（XRD）、循环伏安测试（CV）、扫描电子显微镜测试（SEM）和透射电子显微镜测试（TEM）系统地分析了化学合成的氧化锌与石墨烯复合材料中氧化锌的复合状态和氧化锌填充碳纳米管材料中氧化锌的填充状态。 研究了充放电反应前后负极材料中氧化锌的状态，并对不同物理配比的氧化锌和石墨烯进行了模拟实验。通过模拟并结合实验结果发现，当单层石墨烯与氧化锌的质量比为1:4.19时，镍锌电池的循环寿命和充放电性能最好。制备的镍锌电池循环寿命高达10000次，平均放电容量为/g。

实验过程中，物理混合的氧化锌石墨烯材料（38%ZnO）的电池性能在前2000次充放电循环中相对较差，在2000次循环之后，电池性能逐渐提高并维持在较高的水平，在放电截止电压0.2V时，最大放电比容量达到2096m Ah/g。经过10000次循环后，电池容量衰减率仅为0.0011%。我们估计这与石墨烯电容器的性能有关。在氧化锌填充单壁碳纳米管材料的合成过程中，加入一定量的浓硝酸、单壁碳纳米管和硝酸锌充分混合，利用浓硝酸的强氧化性将单壁碳纳米管氧化。 打开碳纳米管的端盖，将溶液中的硝酸锌在140℃下加热回流9h，使之进入碳纳米管内壁，得到硝酸锌碳纳米管填充材料，再通过真空加热使硝酸锌在碳纳米管中分解，最终得到氧化锌碳纳米管填充材料。通过热重测试计算出填充材料中氧化锌的质量分数约为17.7%。为了更加清晰的展现填充材料的性能，实验中设置了碳纳米管与氧化锌等比例物理混合材料的对比测试。通过对比可以发现，该填充材料在充放电循环过程中大大降低了负极活性材料氧化锌的溶解，有效提高了电池的循环稳定性，循环寿命可以超过600次，大大提高了镍锌电池的容量。

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