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原文传递电动车用锌-空气电池模组设计及性能研究

论文题名：	电动车用锌-空气电池模组设计及性能研究
关键词：	电动汽车;锌-空气电池;结构设计;优化设计;充放电性能
摘要：	随着能源和环境问题的日益严重，人们开始寻找新的能源来替代化石燃料以营造良好的生存环境。新的能源存储和转化方式中，电化学能源存储和转化技术（主要包括超级电容器、金属空气电池、燃料电池等）被认为是最有效的方式。为此国家大力发展新能源汽车，新能源汽车的动力主要来源于电池，所以电池的性能将直接影响新能源汽车的发展。近年来，可充式金属空气电池因具有高的比能量、较低的成本以及无污染等优点越来越受到大家的青睐。在众多的金属空气电池中，锌-空气电池因具有高的比能量、低成本、原材料丰富、放电电压平稳等优势，因而成为下一代最具有应用前景的新能源电池。　　锌-空气电池研究重点在于开发高效的非贵金属催化剂来促进锌-空气电池放电过程中的氧还原反应，由此提高电池的放电效率，降低能量耗损，同时降低锌-空气电池的成本。锌-空气电池的性能不仅与催化剂有关，还与锌-空气电池的结构有密切关系，为了使高效的催化剂发挥自身的优势，必须设计与之相关的电池结构，因此人们开始致力于研究用于电动车辆的可充式锌-空气电池结构，使锌-空气电池逐渐走上商业化的道路。本研究是在一种自制的高效氧还原催化剂的基础上，对锌-空气电池的结构进行设计和优化，最终得到一种能够满足商业化基本要求的机械可充式锌-空气电池。主要研究工作如下：　　1.首先，综合国内外文献，选取了一种比较好的物料比例制作了锌-空气电池的空气电极。空气电极主要包括防水透气层、催化剂层和集流体，按照乙炔黑：聚偏氟乙烯（PVDF）：聚四氟乙烯（PTFE）为7:3:1的比例制作了防水透气层；以合成的Co-@氮掺杂石墨烯催化剂(7.9 mg)为空气电极材料，按照活性炭（AC）：乙炔黑：聚偏氟乙烯（PVDF）为6:1:2的比例制作了负载催化剂层；采用泡沫镍作为集流体，三者组合起来构成空气电极。采用CHI660E电化学工作站进行测试，实验结果表明：空气电极性能优异，具有良好的氧还原性能、循环性能以及使用寿命。　　2.其次，在空气电极的基础上设计了一种水平式机械可充锌-空气电池单体及其模组结构。对所设计的锌-空气电池组装并进行恒流充、放电测试，实验结果表明：水平式锌-空气单体电池具有稳定的放电电压，可达1.1 V左右；在5 mA/cm2、10 mA/cm2、20 mA/cm2的电流密度下的放电比容量能够维持在700 mAh/g左右。待锌-空气单体电池充分放电后，锌电极无剩余，利用率可达100%；伴随着不断机械式的更换锌电极，在5 mA/cm2的电流密度下对单体电池进行连续充、放电，放电电压基本稳定在1.1 V左右；对于由三节单体电池组装的电池组而言，在20 mA/cm2的电流密度下进行放电，放电电压基本稳定在3.3 V左右，电池组的质量比容量可达239.87 mAh/g。　　3.最后，在水平式机械可充锌-空气电池结构的基础上进行结构优化设计，设计了一种高比容量垂直式锌-空气电池结构。对优化后的锌-空气电池进行恒流充、放电研究，研究结果表明：垂直式锌-空气单体电池具有较高的开路电压，约为1.4 V；单体电池放电电压稳定在1.2 V左右，比水平式锌-空气电池高0.1 V左右。在10 mA/cm2、30 mA/cm2、50 mA/cm2的电流密度下的放电比容量能够维持在800 mAh/g左右，比水平式锌-空气电池高100 mAh/g，并且放电电流密度梯度比水平式锌-空气电池大。伴随着不断机械式的更换锌电极，在30 mA/cm2的电流密度下进行连续充、放电，单体电池放电电压稳定在1.2 V左右；对于由三节单体电池组装的电池组而言，在30 mA/cm2的电流密度下进行放电，放电电压稳定在3.5 V左右，放电电压较高，电池组的质量比容量可达250.06 mAh/g，高于水平式锌-空气电池，基本可以满足商业化的要求。
作者：	牛福
专业：	车辆工程
导师：	张万喜
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文