電解液添加劑對鋅粉性能的影響

宋紅磊，趙書利

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

電解液添加劑對鋅粉性能的影響

宋紅磊，趙書利

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

研究了在電解液中添加C16EO10和Bi2O3、In2O3制備不同類別的鋅粉，并對合成的鋅粉的形貌、視密度、振實密度、析氣量進行了檢測分析，以及電性能的研究。結(jié)果表明，用C16EO10和Bi2O3、In2O3制備的鋅粉的視密度分別為0.48 g/cm3、0.47 g/cm3，振實密度分別為0.98 g/cm3、1.00 g/cm3，析氣量分別為0.09 ml/（1g·3d）、0.08 ml/（1g·3d）。用Bi2O3、In2O3制備的鋅粉具有較好的大電流密度放電性能。

電沉積電解液添加劑析氣量電性能

0　引言

與其它堿性電池用電極相比，鋅電極具有比能量高、價格低廉，原料來源廣且對環(huán)境無害等優(yōu)點[1]。隨著現(xiàn)代裝備對鋅系列電池電極的要求越來越高，對鋅粉的要求就更加苛刻，要求鋅粉具備大電流密度放電的能力。鋅電極的析氫自放電、枝晶生長等問題是影響鋅電極性能的關鍵問題，人們主要通過使用電解液添加劑等提高電極活性材料的利用率。

基于Attard等發(fā)展的“真正的液晶模板”機理[2]合成介孔金屬單質(zhì)（如鉑[3]、鈀[4.5]）的原理，本文在電解液中添加C16EO10和制備了介孔鋅粉，同時在電解液中添加Bi2O3、In2O3合成了合金鋅粉。

1　制備方法

1.1儀器與試劑

HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋[金壇市朗博儀器制造有限公司]，帶能譜分析儀的掃描電鏡[美國FEI公司]，85-2型恒溫磁力攪拌器[上海錦賦實驗儀器設備有限公司]，27 V直流穩(wěn)壓電源[上海舒佳電氣有限公司]，JZ-1型粉體振實密度分析儀[成都精新粉體測試設備有限公司]。

1.2制備過程

1.2.1電解液的配置

首先配置30%的KOH溶液（KOH為分析純）。取三份等量的電解液，一份電解液中加入非離子表面活性劑C16EO10，另一份中加入少量Bi2O3、In2O3，最后一份不加任何電解液添加劑。其中前兩份均加熱并磁攪拌均勻，每份電解液中均加入少量的氧化鋅除雜質(zhì)過濾。

1.2.2鋅粉的電解制備

在水浴溫度為70℃下電解，電解電流為2.0 A，以確保電流密度為100 mA/cm2。每隔10 min用塑料刀片將陰極的鋅粉刮下，鋅粉暫時密封保存在蒸餾水中，電解時間為2.0 h。

1.2.3洗滌及干燥

所得的沉積產(chǎn)物用蒸餾水磁攪拌洗滌 2～3次至中性，同樣用無水乙醇磁攪拌 2～3次去除非離子表面活性劑，在230℃下烘干，烘干時間大約為10 min，防止鋅粉的氧化度過高。然后鋅粉先后過60目和300目篩。

1.3性能測試

對所得到的鋅粉做EDS和TEM檢測。同時對鋅粉的視密度、振實密度及析氣量進行了測定

2　結(jié)果與分析

2.1能譜分析

用掃描電鏡對三種鋅粉均做面能譜掃描，得到鋅粉的EDS能譜圖基本相同，如圖1所示，

圖1　鋅粉EDS能譜圖

從上圖中可以看出，所得鋅粉為純度較高的鋅粉，即使是添加Bi2O3、In2O3制備的合金鋅粉，能譜曲線上只用鋅和氧兩種元素標出。說明其他元素的含量極少，幾乎可以忽略不記。測得鋅粉的視密度、振實密度及析氣量如表1所示。

從表1可以看出，添加C16EO10和Bi2O3、In2O3制備的鋅粉都視密度、振實密度及吸氣量都比無添加劑制備的鋅粉小，且用Bi2O3、In2O3制備的鋅粉最小，說明用C16EO10制備的介孔鋅粉和用Bi2O3、In2O3制備的合金鋅粉都能減少自反應的發(fā)生。并且合金鋅粉的效果比介孔鋅粉的好。

表1　鋅粉的視密度、振實密度及析氣量

2.2TEM分析

如下圖2所示的為三種鋅粉在掃描電鏡下的宏觀形貌。

圖2　三種鋅粉的TEM圖

圖 2a為電解液中加入非離子表面活性劑C16EO10制備的介孔鋅粉掃描電鏡圖，圖2b為電解液中加入Bi2O3、In2O3制備的合金鋅粉的掃描電鏡圖，圖 2c為不添加電解液添加劑制備的鋅粉的掃描電鏡圖。從上圖中可以看出，圖2a、圖2c的鋅粉宏觀形貌均為樹枝狀，圖 2b的鋅粉為短棒狀。說明加入Bi2O3、In2O3制備的鋅粉的宏觀形貌為短棒狀。而加入表面活性劑制備的介孔鋅粉和常規(guī)鋅粉一樣，均為樹枝狀。從圖2a、圖2c的對比可以看出，加入表面活性劑制備的介孔鋅粉的宏觀形貌比不添加電解液添加劑制備的鋅粉光滑，表明介孔鋅粉的枝晶生長的的方向性很強。

3.3電性能對比

制備的三種鋅粉均采用壓制法制成鋅負極，以氧化銀做正極，棉紙做隔膜，制成簡單的鋅/氧化銀電池。先后以小電流密度、中電流密度和大電流密度放電(其中大電流密度放電是在中電流密度放電過程中進行3 s的脈沖放電，脈沖間隔為20 s。)，放電截止電壓均為1.3 V。得到放電數(shù)據(jù)如表2。

表2　放電數(shù)據(jù)表

從表2的放電數(shù)據(jù)可以看出，用Bi2O3、In2O3制備的合金鋅粉和無電解液添加劑制備的鋅粉在小電流密度、中電流密度放電過程中，電壓均大于用C16EO10制備的介孔鋅粉。而在以大電流密度放電時，介孔鋅粉和合金鋅粉的前4次的電壓均大于1.30 V，合金鋅粉的最大。而常規(guī)鋅粉的大電流密度放電明顯偏低，說明用C16EO10制備的介孔鋅粉和用Bi2O3、In2O3制備的合金鋅粉都具有較好的大電流密度放電性能。總體來說，合金鋅粉的放電性能高于介孔鋅粉，對于電壓到達1.30 V的放電量，合金鋅粉的最大，介孔鋅粉次之，無添加劑鋅粉最小。合金鋅粉的利用率較高。

3　結(jié)論

1）用Bi2O3、In2O3制備的合金鋅粉及用C16EO10制備的介孔鋅粉的析氣量比無添加劑的小；

2）用Bi2O3、In2O3制備的合金鋅粉為短棒狀，其他的為樹枝狀；

3）用 Bi2O3、In2O3制備的合金鋅粉的電性能好，介孔鋅粉次之，無添加劑的最差。

[1] 郎俊山，付強. 二次堿性電池鋅電極的研究進展[J].船電技術(shù)，2010，30(7): 47-50.

[2] Attard G S ，Glyde J C ，Goltner C G. Liquid-crystalline phases as templates for the synthesis of mesoporous silica， Nature ，1995 ，378 : 366-368.

[3] Whitehead A H ，Elliott J M，Attard G S ，etal . Chem.Commun. ，1999 ，331-332.

[4] Nelson P A ，Owen J R. J . Electrochem. Soc. ，2003 ，150 :A1313-A1317.

[5] Bartlett P N ，Marwan J . Chem. Mater. ，2003 ，15 : 2962-2968.

The Effect of Electrolyte Additive on Performance of Zinc Powder

Song Honglei，Zhao Shuli
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064 ）

This paper studies different zinc powder preparation with C16EO10or Bi2O3、In2O3in the electrolyte. It analyzes morphology，apparent density，tap density，the amount of the generated gas and the electrical properties of synthetic zinc powder. The result shows that the apparent density，the tap density and the amount of the generated gas of zinc powder obtained by C16EO10and Bi2O3，In2O3are 0.48 g/cm3，0.47 g/cm3; 0.98 g/cm3，1.00g/cm3; 0.09 ml/（1g*3d），0.08 ml/（1g*3d），respectively. The zinc powders preparation with Bi2O3、In2O3has preferable high current density discharge performance.

electro-deposition; electrolyte additive; gas evolution volime; electrical properties

TM911.41

A

1003-4862（2015）12-0058-03

2015-09-17

宋紅磊（1986-），男，研究生。研究方向：化學電源材料技術(shù)。