黃瑞霞,張祥功,余 波
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多孔AgO電極的研究
黃瑞霞,張祥功,余 波
(武漢電力推進(jìn)裝置研究所,武漢430064)
本文研究了在Ag粉中添加適量發(fā)孔劑,加壓成型后經(jīng)加熱分解并化成而得到多孔AgO電極,試驗(yàn)結(jié)果表明添加醋酸銀使AgO電極中形成了很多有效的通孔,提高了電極的孔隙率和比表面積,使活性物質(zhì)利用率提高了4%~5%,提高了電池性能。
AgO電極 多孔電極 發(fā)孔劑
Al/AgO電池是現(xiàn)今世界上已使用的最先進(jìn)的魚(yú)雷動(dòng)力電池,其特點(diǎn)是實(shí)際比能量高。一般情況下,質(zhì)量比能量可達(dá)140~180 Wh/kg(包括輔助系統(tǒng)),約為鋅銀電池的2倍,體積比能量可達(dá)250 Wh/L。Al/AgO電池的另一個(gè)特點(diǎn)是工作電流密度高,約為鋅銀電池和海水電池的2~3倍。自70年代起,法、美、日等國(guó)就已開(kāi)始了Al/AgO電池的研究,并取得了很大的進(jìn)展,現(xiàn)已用于法國(guó)的“海鱔”號(hào)魚(yú)雷、意大利的A290魚(yú)雷。意大利“黑鯊”魚(yú)雷已決定采用Al/AgO電池作動(dòng)力電源。以這種電池做動(dòng)力源的電動(dòng)魚(yú)雷,其航速可達(dá)50節(jié)以上[1]。
國(guó)內(nèi)80年代起也開(kāi)始了Al/AgO電池的研究,但作為電極活性材料的AgO陰極,存在孔隙率不高、活性物質(zhì)利用率低等缺點(diǎn),這大大降低了Al/AgO電池高比能量的優(yōu)勢(shì)?;钚晕镔|(zhì)利用率低造成銀粉量的增加,因此導(dǎo)致極片變厚或孔隙率降低,這將使活性物質(zhì)的利用率更加低,形成惡性循環(huán),最終導(dǎo)致電池性能的大幅降低,并同時(shí)使電池重量增加、成本增加。所以,進(jìn)一步改進(jìn)電極及其結(jié)構(gòu)、改進(jìn)制作工藝獲得高比能、高性能電池成為當(dāng)務(wù)之急。本文采用的多孔電極結(jié)構(gòu)可以明顯提高電極的孔隙率和比表面積,使電池的真實(shí)電流密度大大降低,提高活性物質(zhì)利用率、提高電池性能[2]。
1.1試驗(yàn)原理
在Ag粉中添加加熱分解型發(fā)孔劑,發(fā)孔劑不會(huì)影響Ag粉之間的粘結(jié),但在加壓成型后可以通過(guò)加熱分解并除去,從而留下眾多微孔?;旌暇鶆虻幕旌衔锟梢杂酶邏簤旱剿璧暮穸群蛷?qiáng)度,去掉填充物,便可得到可控制的孔隙率[3]。
1.2試驗(yàn)方法
①按一定比例稱取發(fā)孔劑與Ag粉,混合均勻后,均勻鋪在帶有導(dǎo)電骨架的集流體上,在模具中壓制成10 mm×10 mm的極片,把壓制好的極片放在烘箱中,緩慢升溫使發(fā)孔劑緩慢分解揮發(fā),待發(fā)孔劑分解并揮發(fā)完全后,取出極片;
②稱取純Ag粉(和①中極片銀粉量一致)按上述方法制作尺寸大小一樣的極片,做對(duì)比極片;
③將所有極片置入堿性溶液中進(jìn)行化成,化成結(jié)束后,清洗、干燥待用。
1.3性能測(cè)試
將AgO陰極片和尺寸相當(dāng)?shù)腁l合金陽(yáng)極片組裝成Al/AgO電池,每組電池包含若干對(duì)對(duì)電池,在相同的條件下同時(shí)進(jìn)行恒流放電。
試驗(yàn)裝置:力興恒流放電儀,自配輔助系統(tǒng)
根據(jù)要求,發(fā)孔劑應(yīng)不影響Ag粉之間的粘結(jié),但在加壓成型后易于除去,并不帶入新的雜質(zhì)。根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Ag粉的燒結(jié)溫度若超過(guò)500℃將會(huì)使部分Ag粉顆粒微熔而粘結(jié),造成真實(shí)孔隙率下降,電池性能降低。所以,應(yīng)選擇分解溫度在500℃以下的發(fā)孔劑。
選用了多種發(fā)孔劑,碳酸氨、碳酸氫氨、醋酸氨、醋酸銀等。按10%~20%的添加比例制備樣品電極。注意控制升溫速率,保持溫度在各發(fā)孔劑的分解溫度附近使極片緩慢分解。
制備的樣品電極和Al合金陽(yáng)極片組裝成Al/AgO電池,其放電曲線如圖1所示:
圖1 添加不同發(fā)孔劑的極片性能對(duì)比
由圖1可明顯看出,參照對(duì)比片(即沒(méi)有添加發(fā)孔劑),添加碳酸氨、碳酸氫氨、醋酸氨的極片性能均下降了,只有添加醋酸銀的極片性能提高了。因此,以下就添加醋酸銀的極片進(jìn)行具體的試驗(yàn)和討論。
添加醋酸銀制作的AgO電極以下簡(jiǎn)稱新正極,用純Ag粉制作的AgO電極以下簡(jiǎn)稱普通正極。
3.1新正極和普通正極在堿性電解液條件下的放電性能對(duì)比
新正極和普通正極在堿性電解液條件下的2對(duì)電池放電電壓曲線如圖2所示。
圖2 普通正極和新正極在堿性電解液下的放電曲線對(duì)比
由圖2可看出,在堿性電解液條件下,添加醋酸銀的AgO陰極放電電壓較為平穩(wěn),其中后期放電電壓比普通的AgO陰極要高,電壓衰減較慢。
取1.65 V為終止電壓,新正極利用率比普通正極利用率提高了4.7%。
3.2新正極和普通正極在3.5M NaAlO2堿性電解液條件下的放電性能對(duì)比
新正極和普通正極在3.5 M NaAlO2堿性電解液條件下的2對(duì)電池放電電壓曲線如圖3所示。
圖3 普通正極和新正極在3.5 M NaAlO2堿性電解液下的放電曲線對(duì)比
由圖3可看出,在3.5 M NaAlO2堿性電解液條件下,添加醋酸銀的AgO陰極放電電壓較為平穩(wěn),其中后期放電電壓比普通的AgO陰極要高,電壓衰減較慢。取1.65 V為終止電壓,新正極利用率比普通正極利用率提高了5.2%。
3.3醋酸銀的添加比例
控制醋酸銀和銀粉的重量比依次為1:2、1:3、1:4、1:5,前兩者和后兩者分別組成兩組2對(duì)電池在堿性電解液條件下進(jìn)行放電,電池放電電壓曲線如圖4所示。
由圖3可知,醋酸銀添加比例1:3和1:4的電池放電電壓較平穩(wěn),電壓衰減速度相對(duì)較慢,活性物質(zhì)利用率較高,兩者水平相當(dāng);1:2和1:5的放電電壓衰減相對(duì)較快,活性物質(zhì)利用率較低。因此,醋酸銀和Ag粉的最佳比例在1:4和1:3之間。
圖4 不同添加比例的電極放電性能對(duì)比
1)在Ag粉中添加碳酸氨、碳酸氫氨、醋酸氨發(fā)孔劑后,經(jīng)加熱分解并化成而得到的 AgO陰極性能下降;
2)在Ag粉中添加適量醋酸銀發(fā)孔劑,經(jīng)加熱分解并化成而得到的AgO陰極中形成了很多有效的通孔,提高了電極的孔隙率和比表面積,使活性物質(zhì)利用率提高了5%左右,提高了電池性能;
3)醋酸銀和Ag粉的最佳比例在1:4和1:3之間。
[1] 奚碚華, 夏天. 魚(yú)雷動(dòng)力電池研究進(jìn)展. 魚(yú)雷技術(shù), 2005, 13(2).
[2] 郭炳焜, 李新海, 楊松青.化學(xué)電源, 中南大學(xué)出版社, 2003.
[3] 劉榮佩, 吳新光, 田鵬. 直接冷壓法制備多孔電極極板材料研究. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 27(6).
Study on Porous Silver Oxide Electrode
Huang Ruixia, Zhang Xianggong, Yu Bo
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064 ,China)
TM912
A
1003-4862(2017)04-0020-03
2016-11-10
黃瑞霞(1975-),女,高工。專業(yè)方向:化學(xué)電源。E-mail: 1291535245@qq.com