試析金屬粉末添加劑對鋅鎳電池正極性能的影響

朱軍平 王江林 柯娃 趙磊 馬永泉

【摘 要】鋅鎳電池具有保護環境、比容量高、成本低等優點，因此受到大家的喜愛。在鋅鎳電池的電極生產過程中需要加入緩蝕劑以此來緩慢電極的腐蝕。本文就金屬粉末添加劑對鋅鎳電池正極性能的影響進行了分析，通過在鋅鎳電池中添加銀粉、銅粉和鈷粉對電池正極性能進行分析，以此來研究這幾種材料對電極性能的影響。

【關鍵詞】金屬粉末；鋅鎳電池；正極性能；鎳電極；鈷粉

鋅鎳電池是一種半導體性的物質，為了能加電池的導電性和提高活性物質的有效利用率，需要添加金屬粉末的添加劑，以此來改變電池的性能。通過物理添加的方式向電池的正極添加銀粉、銅粉和鈷粉并進行對比研究可以得出結論，銀粉對電極性能的提升作用好于銅粉，而銅粉和鈷粉則能提高電池的腐蝕性能。

一、物理實驗裝置的配置

1、電池電極片的制備放置不同的金屬粉末

首先應該制作實驗所需要的電極片。這里按照質量分數選取的是鎳粉5（產地湖北）乙炔黑6%（產地湖南）Ni（OH） 80%（產地北京）金屬粉末5%，將這四種物質進行混合，并搖晃均勻。然后在里面再加入聚四氟乙烯乳液15%（產地北京）將以上的物質加入純凈水并調成膏狀物質，最后利用刮板均勻的將其刮出長六厘米，寬五厘米的泡沫鎳，最后將其放在六十攝氏度以下的溫度下進行烤制兩個小時，將其取出后，還需要進行三十五帕下進行冷壓。從而制成一厘米厚度的電極片。可以將添加不同金屬粉的電極片進行分別的命名為銅粉試樣、銀粉試樣和鈷粉試樣。同時還需要一個空白試樣的電極片，空白試樣的電極片制作時可以用Ni（OH） 2代替金屬粉末。

2、電極片制備放置不同含量的鈷粉

測試不同含量鈷粉對電極片的影響，按照以上的方法制作電極片時，可以在電極片內添加百分之三、百分之五和百分之七的鈷粉，運用相同的工藝制成不用含量鈷粉的電極片。

3、模擬電池組裝制備

組裝模擬電池時，電池的正極應該采用GP-1-B 隔膜（產地湖南）將電池的正極進行包裹，電池的負極則應該用鋅負極（產地湖北）并用無菌的紗布進行包裹。電解液的制成則需要ZnO（產地北京）飽和的6 mol /L KOH（湖南產）+ 10 g /L LiOH（北京產）溶液。然后將兩個負極夾著一個正極的方式制成模擬式的電池[1]。

4、樣品測試的方式

進行樣品測試時可以采用CT2001A 型電池測試系統（北京產）對模擬電池進行樣品測試。首先可以用0.1C充電十二個小時，然后將其靜止十分鐘，再次利用0.1C放電到1V進行兩次的化成，最后利用0.2C進行充電六個小時再次放電到1.2V進行循環測試。利用PGSTAT302N 型電化學工作站（美國產）對鎳電極進行曲線測試時，對其掃描的速度應為1 mV /s， 電位為-0.9～-0.3 V，利用鉑電極作為輔助的電極。

二、實驗的結果與分析

1、不同金屬粉末的鎳電極的Tafel曲線分析

在不同的鎳電極中加入不同的金屬粉末進行電位極化的曲線測試，結果如圖1所顯示。在表1中則展示了測試曲線的分析參數。

測量電極的腐蝕性能一般是通過腐蝕電位來衡量。腐蝕的電位較正則說明抗腐蝕的性能越好。從表1的參數中可以看出銀粉樣品、銅粉樣品、鈷粉樣品和空白樣品的腐蝕電為分別是- 0. 566 4 V、- 0. 574 5 V、- 0. 415 3 V、- 0. 635 0 V。由此可以看出在這些金屬粉末中鈷粉的抗腐蝕性能最強，測量鎳電極腐蝕的速效經常用腐蝕電流的密度進行衡量。腐蝕電流的密度較小，鎳電極的腐蝕能力就越強。從表1中可以得知，這幾個金屬粉末中銅粉的密度最大，這也就表明銅粉會加快腐蝕的速度。從而減小電極使用的時間。而鈷粉和銀粉的電流密度低，就會降低鎳電池的腐蝕速度[2]。

2、不同金屬粉末對鎳電極充放電的曲線分析

在鎳電極添加不同的金屬粉末，用0.2C充放電十次后，曲線如圖2所示。

充電的電壓較高會導致電解液中氧氣的釋放，導致電極出現鈍化的現象。這樣會縮短電池的使用時間。而充電電壓較低說明充電的效率較高。從圖2中可以分析出在充電的前期，銅粉樣品和銀粉樣品還有空白樣品的電壓基本一致。但是到達后期時銀粉樣品和銅粉樣品的電壓就會比空白樣品的電壓高。因為金屬粉末氧化的過程中增加了電極內的內阻，從而影響到了電荷的擴散。在圖2的曲線中，鈷粉的充電電壓一直比較低，而且曲線較為平穩，這也就說明了鈷粉的充電效率較高。所以從圖2中可以得知鈷粉具有最好的放電時間與放電的容量，具有電極循環的穩定性。由此可知，銀粉樣品、銅粉樣品和空白樣品的放電曲線基本一致，所以，銀粉的加入對電極的容量起不到明顯的促進作用，而加入銅粉則會對電極的性能產生不利的影響。所以在金屬粉末添加的過程中，做好應該加入鈷粉的粉末，這對電極的性能會產生積極的影響[3]。

3、不同鈷粉添加量的分析

在電極中添加不同含量的鈷粉，并對其進行觀察，結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，不同的鈷粉含量，間隙的分布含量也不同。鈷粉的含量越高。鈷粉與顆粒之間的間隙分布含量越多，但是它的分散作用并沒有發生改變。在制作電極設備時，通常會采用石墨、活性炭等導電劑用來填充活性物質之間的間隙。也會適當的加入一些金屬添加劑用來提高電極的穩定性。加入百分之五含量的鈷粉和百分之七含量的鈷粉相比時，百分之五含量的鈷粉會讓電極更加的穩定，而百分之七含量的鈷粉則會導致團聚的現象發生。由此可以看出百分之五含量的鈷粉最為合適。百分之五的鈷粉含量可以適當的提高電極的穩定性，提高電極的使用效能。

4、不同鈷粉含量對電極循環的作用

不同鈷粉的含量對電極循環作用也不同，鈷粉對于電極的性能會有顯著的提升，通過不同含量的鈷粉對電極進行不同的測試，可以找出最好的鈷粉添加量。如圖4所示。

從圖4中我們可以看出，不同的鈷粉含量對電極的循環性能會產生不同的影響。在一定的循環周期內，百分之五的含量和百分之七的含量鎳電極的放電量幾乎接近，但是百分之七的含量，循環性能可能會更好。但是隨著鈷粉含量的增加，電極的放電量并沒有增加，比容量提高的幅度也不夠大，添加過多的鈷粉會增加電極的成本，所以在綜合考慮之下，鈷粉含量百分之五最為合適。

三、結束語

綜上所述，運用物理添加的方式向鎳電極中添加銅粉、銀粉和鈷粉時，金屬粉末對電極的性能會產生很大的影響。鈷粉可以提高鎳電池的穩定性和電池容量，銀粉對于鎳電極的壽命循環不太明顯，銅粉會加快鎳電極的腐蝕程度，不利于電極的性能。

【參考文獻】

[1]穆培振， 李加勇， 崔超群，等. 鋅負極用鋅酸鈣的電化學制備法及其性能研究[J]. 電源技術， 2015， 39（6）：1279-1281.

[2]薛祥峰. 陰極添加劑對鎳錳電池性能影響的研究[J]. 煤炭與化工， 2016， 39（6）：92-93.

[3]孔繁清， 閆慧忠， 李金，等. 不同導電劑對鋅鎳電池中鋅電極性能影響的研究[J]. 金屬功能材料， 2011， 18（5）：62-65.