电解液添加剂对锌粉性能的影响

宋红磊，赵书利

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

电解液添加剂对锌粉性能的影响

宋红磊，赵书利

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

研究了在电解液中添加C16EO10和Bi2O3、In2O3制备不同类别的锌粉，并对合成的锌粉的形貌、视密度、振实密度、析气量进行了检测分析，以及电性能的研究。结果表明，用C16EO10和Bi2O3、In2O3制备的锌粉的视密度分别为0.48 g/cm3、0.47 g/cm3，振实密度分别为0.98 g/cm3、1.00 g/cm3，析气量分别为0.09 ml/（1g·3d）、0.08 ml/（1g·3d）。用Bi2O3、In2O3制备的锌粉具有较好的大电流密度放电性能。

电沉积电解液添加剂析气量电性能

0　引言

与其它碱性电池用电极相比，锌电极具有比能量高、价格低廉，原料来源广且对环境无害等优点[1]。随着现代装备对锌系列电池电极的要求越来越高，对锌粉的要求就更加苛刻，要求锌粉具备大电流密度放电的能力。锌电极的析氢自放电、枝晶生长等问题是影响锌电极性能的关键问题，人们主要通过使用电解液添加剂等提高电极活性材料的利用率。

基于Attard等发展的“真正的液晶模板”机理[2]合成介孔金属单质（如铂[3]、钯[4.5]）的原理，本文在电解液中添加C16EO10和制备了介孔锌粉，同时在电解液中添加Bi2O3、In2O3合成了合金锌粉。

1　制备方法

1.1仪器与试剂

HH-6数显恒温水浴锅[金坛市朗博仪器制造有限公司]，带能谱分析仪的扫描电镜[美国FEI公司]，85-2型恒温磁力搅拌器[上海锦赋实验仪器设备有限公司]，27 V直流稳压电源[上海舒佳电气有限公司]，JZ-1型粉体振实密度分析仪[成都精新粉体测试设备有限公司]。

1.2制备过程

1.2.1电解液的配置

首先配置30%的KOH溶液（KOH为分析纯）。取三份等量的电解液，一份电解液中加入非离子表面活性剂C16EO10，另一份中加入少量Bi2O3、In2O3，最后一份不加任何电解液添加剂。其中前两份均加热并磁搅拌均匀，每份电解液中均加入少量的氧化锌除杂质过滤。

1.2.2锌粉的电解制备

在水浴温度为70℃下电解，电解电流为2.0 A，以确保电流密度为100 mA/cm2。每隔10 min用塑料刀片将阴极的锌粉刮下，锌粉暂时密封保存在蒸馏水中，电解时间为2.0 h。

1.2.3洗涤及干燥

所得的沉积产物用蒸馏水磁搅拌洗涤 2～3次至中性，同样用无水乙醇磁搅拌 2～3次去除非离子表面活性剂，在230℃下烘干，烘干时间大约为10 min，防止锌粉的氧化度过高。然后锌粉先后过60目和300目筛。

1.3性能测试

对所得到的锌粉做EDS和TEM检测。同时对锌粉的视密度、振实密度及析气量进行了测定

2　结果与分析

2.1能谱分析

用扫描电镜对三种锌粉均做面能谱扫描，得到锌粉的EDS能谱图基本相同，如图1所示，

图1　锌粉EDS能谱图

从上图中可以看出，所得锌粉为纯度较高的锌粉，即使是添加Bi2O3、In2O3制备的合金锌粉，能谱曲线上只用锌和氧两种元素标出。说明其他元素的含量极少，几乎可以忽略不记。测得锌粉的视密度、振实密度及析气量如表1所示。

从表1可以看出，添加C16EO10和Bi2O3、In2O3制备的锌粉都视密度、振实密度及吸气量都比无添加剂制备的锌粉小，且用Bi2O3、In2O3制备的锌粉最小，说明用C16EO10制备的介孔锌粉和用Bi2O3、In2O3制备的合金锌粉都能减少自反应的发生。并且合金锌粉的效果比介孔锌粉的好。

表1　锌粉的视密度、振实密度及析气量

2.2TEM分析

如下图2所示的为三种锌粉在扫描电镜下的宏观形貌。

图2　三种锌粉的TEM图

图 2a为电解液中加入非离子表面活性剂C16EO10制备的介孔锌粉扫描电镜图，图2b为电解液中加入Bi2O3、In2O3制备的合金锌粉的扫描电镜图，图 2c为不添加电解液添加剂制备的锌粉的扫描电镜图。从上图中可以看出，图2a、图2c的锌粉宏观形貌均为树枝状，图 2b的锌粉为短棒状。说明加入Bi2O3、In2O3制备的锌粉的宏观形貌为短棒状。而加入表面活性剂制备的介孔锌粉和常规锌粉一样，均为树枝状。从图2a、图2c的对比可以看出，加入表面活性剂制备的介孔锌粉的宏观形貌比不添加电解液添加剂制备的锌粉光滑，表明介孔锌粉的枝晶生长的的方向性很强。

3.3电性能对比

制备的三种锌粉均采用压制法制成锌负极，以氧化银做正极，棉纸做隔膜，制成简单的锌/氧化银电池。先后以小电流密度、中电流密度和大电流密度放电(其中大电流密度放电是在中电流密度放电过程中进行3 s的脉冲放电，脉冲间隔为20 s。)，放电截止电压均为1.3 V。得到放电数据如表2。

表2　放电数据表

从表2的放电数据可以看出，用Bi2O3、In2O3制备的合金锌粉和无电解液添加剂制备的锌粉在小电流密度、中电流密度放电过程中，电压均大于用C16EO10制备的介孔锌粉。而在以大电流密度放电时，介孔锌粉和合金锌粉的前4次的电压均大于1.30 V，合金锌粉的最大。而常规锌粉的大电流密度放电明显偏低，说明用C16EO10制备的介孔锌粉和用Bi2O3、In2O3制备的合金锌粉都具有较好的大电流密度放电性能。总体来说，合金锌粉的放电性能高于介孔锌粉，对于电压到达1.30 V的放电量，合金锌粉的最大，介孔锌粉次之，无添加剂锌粉最小。合金锌粉的利用率较高。

3　结论

1）用Bi2O3、In2O3制备的合金锌粉及用C16EO10制备的介孔锌粉的析气量比无添加剂的小；

2）用Bi2O3、In2O3制备的合金锌粉为短棒状，其他的为树枝状；

3）用 Bi2O3、In2O3制备的合金锌粉的电性能好，介孔锌粉次之，无添加剂的最差。

[1] 郎俊山，付强. 二次碱性电池锌电极的研究进展[J].船电技术，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

宋红磊（1986-），男，研究生。研究方向：化学电源材料技术。