摘 要

随着科学技术的发展，人类社会的进步，人们的生活对能源的依赖越来越大。而能源危机、资源匮乏、环境污染的压力日益加剧，所以亟需调整能源结构，开发清洁能源、可再生能源替代化石能源。风能、太阳能等清洁可再生能源是目前研究的重点，但这类可再生能源会受到自然条件的限制，只有在适当条件下才能产生电能，这类能源一般具有间歇性和能量密度低等特点。所以需要发展储能系统以提高能源的利用效率，而在多种储能方式中，电化学储能具有投资少、效率高、使用灵活等优点，因此得到广泛的应用和研究。

本文是在论述比较各类电解质后，以凝胶电解质作为电池的电解质，通过研究电解质中聚合物的种类、聚合物和无机盐的比例、是否添加蒙脱土以及含水率等因素对凝胶电解质电导率的影响，发现使用聚乙烯醇（PVA）时凝胶电解质的阻抗比聚环氧乙烷（PEO）要低很多，所以选择PVA进行后续实验，我们发现当PVA与ZnSO₄质量比为10：4，添加蒙脱土，含水率在53%至58%内时，凝胶电解质的电导率最高，达到12.320×10^-3 S/cm。再以Zn为负极，MnO₂为正极，制成电池，测试电池性能，结果发现电池的循环性能不是很好，电池的初始容量达到336mAh/g，循环200周后，电池容量降至275 mAh/g，电池容量保持率为81.8%，电池的库仑效率超过了100%。

关键词： 凝胶电解质；Zn-MnO₂电池；电导率

Abstract

With the development of science and technology, the progress of human society, the dependence on energy increasing of people's lives.And the pressure of energy crisis, the lack of resources, environmental pollution increasing, so need to adjust the energy structure, developing clean energy and renewable energy to replace fossil fuels.Clean and renewable energy sources such as wind and solar power is the key of the current research, but this kind of renewable energy will be affected by the limitation of natural conditions, only in the appropriate conditions to produce electricity, this kind of energy in general has intermittent and low energy density.They need to develop energy storage system in order to improve the efficiency of energy utilization, and in a variety of energy storage methods, electrochemical energy storage has the advantages of less investment, high efficiency, flexible, therefore has wide application and research.

This article, after comparing many kinds of electrolyte, chose gel electrolyte as battery electrolyte, Through the research of polymer electrolytes are, the ratio of polymer and inorganic salt, whether to add montmorillonite on the influence of the conductivity of gel electrolyte, the impedance polyvinyl alcohol (PVA) is much lower than polyethylene oxide (PEO),  so select PVA for subsequent experiments，we found that when the mass ratio of PVA and ZnSO₄ is 10:4, add montmorillonite, the moisture content in 53% to 58%, the electrical conductivity of gel electrolyte is highest, 12.320×10^-3 S/cm. Zinc as the anode, MnO₂ as the cathode, manufactured into battery, test battery performance, the results showed that the cycle of the battery performance is not very good, the battery of the initial capacity of 336 mAh/g, cycle after 200 weeks, battery capacity to 275 mAh/g, battery capacity remain at a rate of 81.8%, coulomb efficiency more than 100% of the battery.

Keywords: gel electrolyte；Zn-MnO₂ battery；conductivity

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 电池的发展现状 1

1.1.1 电池的分类 1

1.1.2 碱性电池 1

1.1.3 酸性电池 1

1.1.4 中性电池 2

1.2 电解质的种类 2

1.2.1 液态电解质 2

1.2.2 离子液体电解质 3

1.2.3 固体电解质 3

1.2.3.1 固体聚合物电解质 3

1.2.3.2 无机固态复合电解质 4

1.2.4 凝胶态聚合物电解质 4

1.3 电池中金属离子的选择 4

1.3.1 锂离子 4

1.3.2 钠离子 5

1.3.3 钾离子 5

1.3.4 镁离子 6

1.3.5 锌离子 6

1.4 研究思路的提出及意义 6

第2章 实验部分 8

2.1 实验用品 8

2.2 实验步骤 9

2.2.1 MnO₂电极的制备 9

2.2.2 Zn电极的制备 9

2.2.3 凝胶电解质的制备 9

2.2.4 制作电容器 10

2.2.5 制作电池 10

2.3 测试 10

2.3.1 交流阻抗测试（EIS） 10

2.3.2 电导率测试 11

2.3.3 循环伏安测试（CV） 11

2.3.4 恒电流充放电测试（CD） 12

2.4 实验结论 13

2.4.1 交流阻抗测试 13

2.4.2 循环伏安测试 23

2.4.3 恒电流充放电测试 24

结 论 25

参考文献 27

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 电池的发展现状

1.1.1 电池的分类

按照工作性质，化学电池可分为一次电池、二次电池和燃料电池。一次电池的内部活性物质只能使用一次主要有：碱性锌锰电池、扣式锌银电池、一次锂锰电池等；二次电池经过放电后又可用外部电源充电进行循环使用主要有：锂离子电池、镉镍电池、二次锌锰电池等；燃料电池是通过不断给电池电极提供活性物质从而产生电能如：柴油机、煤炭发电等。依照电池使用的电解质的种类来分，电池可分为碱性电池、酸性电池和中性电池。按照电池所用正、负极材料可分为：锌锰电池、锌银电池、氢镍电池、锌空电池、锂离子电池等。

1.1.2 碱性电池

碱性电池是一类电解质为碱性的电池，如碱性锌锰电池、碱性锌镍电池等。目前市场上的碱性电池大部分为碱性锌锰电池，碱性锌锰电池是以MnO₂为正极，Zn为负极，KOH为电解液。与传统锌锰电池相比，碱性锌锰电池具有容量高、适合大电流放电、耐漏液性能好、贮期长、污染少等^[1]优点，在生活中被广泛使用。现在出现了可充电碱性锌锰电池，但有些问题，如过充电或过放电都会导致电池内压急剧增加而发生漏液甚至爆炸、电解液碱度丧失和电池干涸等^[2]。虽然这些问题能够得到解决，但由于循环性能较差等因素，可充电锌锰电池的发展受到限制。

1.1.3 酸性电池

酸性电池是指电解质为酸性的一类电池，主要有酸性锌锰电池和铅酸蓄电池等。酸性锌锰电池是一种负极为锌筒，正极是以二氧化锰粉末、氯化铵及碳黑组成的一个混合糊状物，电解质是氯化锌和氯化铵混合溶液的一次电池。酸性锌锰电池具有价格低廉、携带方便等优点，但在使用过程中酸性锌锰电池的电压会不断下降，不能提供稳定电压，而且放电功率低，低温性能差，污染环境等，目前市场上使用的一次电池大部分为碱性锌锰电池。铅酸蓄电池是目前市场上使用较多的二次酸性电池，铅酸蓄电池以二氧化铅为正极，海绵状铅为负极，以硫酸水溶液为电解质。铅酸蓄电池具有价格低廉、工作电压较高和使用温度宽等优点，但其能量密度较低，导致体积和质量较大。所以铅酸蓄电池在汽车领域被广泛使用。

1.1.4 中性电池

中性电池是一类电解质为中性的电池，如中性锌锰电池、中性空气电池等。1868年，法国Georges Leclanche首创中性锌锰电池以来，中性电池取得巨大发展。中性锌锰干电池也称为碳性电池，是一种以铜帽为正极，以锌板为负极，以二氧化锰、碳粉和氯化铵的混合糊状物为电解质的一次电池。中性锌锰干电池主要用于低耗电电器，在航空、航海、国防、科研等众多领域，中性电池都有所应用。

1.2 电解质的种类

化学电源的电解质大概分为液态电解质、离子液体电解质、固体电解质和凝胶态聚合物电解质。液态电解质又可以分为有机电解质和水系电解质；固体电解质又可以分为固体聚合物电解质和无机固态复合电解质。

1.2.1 液态电解质

有机电解质常用的有机溶剂有醚、砜类溶剂和碳酸酯类溶剂等。无水有机电解质具有较宽的电位窗口，通常能够实现较高的能量密度^[3,4]。然而有机溶剂通常有毒且易燃烧，在使用过程中，电池存在很大的安全隐患。而且，在制备过程中，必须保证严格的无水环境，使生产成本提高^[5]。这些因素限制了有机体系电解质在大型储能设备中的应用。

KIM 等^[6]发现了一种新型的钠离子电池醚类有机溶剂二甘醇二甲醚（DEGDME），以石墨做负极，在 0.5C 时具有很好的循环稳定性，首周放电容量125 mA·h/g，循环 2500 周之后放电容量仍能达到首周放电容量的80%。