鋅空氣一次電池之自放電與鋅極腐蝕
抑制改善之研究

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化學工程與材料工程學系

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鋅空氣一次電池之自放電與鋅極腐蝕抑制改善之研究

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摘要(中)

鋅-空氣電池是現今所有以電解質液為基礎的電池系統中比能量最高者，且具放電電壓穩定與價格便宜等優點，但此電池系統中的鋅陽極有自放電、樹枝狀成長及不可逆鈍化層等問題。本研究中主要探討鋅-空氣電池陽極系統的鋅極漿料配製、研發雛型電池性能測試、自放電性質及鋅粉表面改質研究。
鋅-空氣電池陽極系統的鋅極漿料配製或簡稱為鋅泥配製，吾人利用五種不同凝膠劑，分別為EVI-1、EVI-2、EVI-3、EVI-4和EVI-5凝膠劑，由上述五種凝膠劑作10種不同的雙凝膠劑組合，並以雙凝膠劑添加的重量百分比為3wt.%，將其所配製的鋅泥作氣體釋放實驗，以及組裝電池作放電測試，其中所有電池性能皆用研發雛型電池測試，測試條件皆為0.64A 定電流放電，截止電壓為0.5V。綜合以上氣體釋放及放電測試結果，其最佳雙凝膠劑組合為EVI-2和EVI-5。
接著利用EVI-2和EVI-5高分子凝膠劑組合為雙凝膠劑，並嘗試改變雙凝膠劑對鋅泥的添加重量百分比以及雙凝膠劑間的比例，調配成鋅泥以進行氣體釋放測試和組裝研發雛型電池放電測試，其中測試結果發現雙凝膠劑對鋅泥的最佳添加重量百分比為4wt.%，且EVI-2與EVI-5的最佳比例為1:1。
將配製而成的鋅泥組裝成研發雛型電池，再撕開電池中透氣孔上的膠帶，此項動作前後，分別稱為密封儲存壽命(Sealed Shelf Life; SSL)及開封儲存壽命(Open Shelf Life; OSL)。研發雛型電池之進氣孔大小亦為影響電池放電性能之重要因素，若提供較大的進氣孔，則在放電過程中，氧氣進入量較大，放電電容量亦應較高，但由實驗結果發現，使用大氣孔的研發雛型電池，經過OSL三天後測試，無論於空氣或氮氣環境中，均無法放電，此可能歸因於大氣孔電池在儲存過程中，與周圍環境中的二氧化碳接觸面積較大，二氧化碳會和KOH反應成K2CO3，並沉澱於陰極的表面，造成氧氣無法充分地通過陰極，降低陰極氧氣還原之效率，而無法放電。
吾人在鋅泥中添加各種不同濃度的鋅腐蝕抑制劑，並利用此鋅泥作氣體釋放測試，藉以觀察添加不同濃度的鋅腐蝕抑制劑，對抑制氫氣產生的效果。由氣體釋放實驗結果發現，添加重量百分比0.1wt.%的In2O3或0.3wt.% PbO所抑制氣體產生的效果最佳。再將鋅泥組裝研發雛型電池進行初始放電測試方面，添加重量百分比0.1wt.% In2O3的鋅泥，其初始放電電容量僅達到1.38Ah，即鋅使用率為72 %，而添加重量百分比0.3wt.% PbO的鋅泥則達到1.55Ah，鋅使用率為81 %。以初始放電電容量而言，電池性能則以添加0.1wt.% NCU1於鋅粉者為最佳，其初始放電電容量為1.68Ah，鋅使用率高達88 %。
鋅粉改質研究方面，吾人發現改質最佳條件為煆燒溫度500C，煆燒時間90分鐘，及P高分子添加於鋅粉的最佳重量百分比為0.5wt.%，其改質後的鋅粉所配製之鋅泥最為穩定，且研發雛型電池的初始放電電容量高達1.60Ah，鋅使用率為83 %。另外，由本研究小組另一研究助理卓永達所提供利用不同濃度NCU2改質後的鋅粉，吾人將其配製成鋅泥，並以組裝研發雛型電池作放電測試，在鋅粉表面塗佈0.1 wt.%的NCU2化合物，所配製的鋅泥其初始放電電容量為1.63Ah，其鋅使用率為85 %，較此前吾人研究中，所塗佈0.5wt.% P高分子的鋅泥之放電電容量1.58Ah高，其鋅使用率為82 %。

關鍵字(中)

★ 自放電
★ 研發雛型電池
★ 氣體釋放測試
★ 鋅空氣電池
★ 鋅極漿料
★ 凝膠劑

關鍵字(英)

論文目次

摘要 I
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 IX
第一章緒論 1
第二章文獻回顧 3
2-1 鋅-空氣電池發展簡介 3
2-2 鋅-空氣電池的特性與優缺點 5
2-3 鋅-空氣電池之作用原理 6
2-3-1 鋅極之反應機構 7
2-3-2 空氣電極之反應機制 9
2-4 鋅-空氣電池的構造 12
2-4-1 鋅電極 12
2-4-1-1 鋅陽極之特性要求 12
2-4-1-2 鋅電極的構成 12
2-4-2 空氣電極 14
2-5 影響電池性能之相關因素 14
2-5-1 催化劑之影響 14
2-5-2 電池自放電問題 16
2-5-3 鋅電極腐蝕 18
2-5-4 電解質液碳酸化 20
2-5-5 鋅電極直接氧化 21
2-5-6 溼度對電池的影響 21
2-5-7 溫度對電池的影響 22
2-5-8 氣體傳輸影響 22
第三章實驗方法 23
3-1 實驗藥品 23
3-2 實驗儀器及設備 24
3-3 實驗步驟 26
3-3-1以G高分子表面處理鋅粉後，烘乾溫度研究 26
3-3-1以P高分子表面處理鋅粉研究 26
3-3-3鋅泥配製 28
3-3-3-1 電解質液的配製 28
3-3-3-2 鋅泥的配製流程 28
3-3-4 研發雛型電池組裝 29
Ⅰ. 集電片的前處理步驟 29
II . 全電池的組裝步驟 29
3-3-5 氣體釋放實驗研究 31
第四章結果與討論 33
4-1 研發雛型電池測試 33
4-1-1 乾濕式組法效應 33
4-1-2 研發雛型電池氣孔大小效應 37
4-2 研發雛型電池陽極配方研究 38
4-2-1 改變鋅泥中雙凝膠劑的種類 38
4-2-1-1鋅泥的氣體釋放實驗 38
4-2-1-2 組裝研發雛型電池的放電性能 40
4-2-2 改變鋅泥中雙凝膠劑的添加重量百分比 45
4-2-2-1 鋅泥的氣體釋放實驗 45
4-2-2-2 組裝研發雛型電池的放電性能 46
4-2-3 改變鋅泥中雙凝膠劑間的添加比例 49
4-2-3-1 鋅泥氣體釋放實驗 49
4-2-3-2 組裝研發雛型電池放電性能 50
4-3電池自放電研究 54
4-3-1 Blank測試 54
4-3-2鋅陽極添加物-氫氧化鈣(Ca(OH)2) 55
4-3-3鋅陽極添加物-氧化鉛(PbO) 57
4-3-4鋅陽極添加物-四氧化三鉛(Pb3O4) 58
4-3-5鋅陽極添加物-三氧化二銦(In2O3) 60
4-3-6鋅陽極添加物-三氧化二鈹(Bi2O3) 62
4-3-7鋅陽極添加物-二氧化鈦(TiO2) 64
4-3-8鋅陽極添加物-NCU1 65
4-3-9 電解質液添加物-氫氧化鋰(LiOH ‧H2O) 67
4-3-10 組裝研發雛型電池的放電性能 69
4-4 鋅粉表面改質研究 72
4-4-1 利用P高分子改質鋅粉表面 72
4-4-1-1 煆燒溫度變因 73
4-4-1-2 高分子添加濃度變因 76
4-4-1-3 煆燒時間變因 78
4-4-2 利用NCU2塗佈於鋅粉表面 80
第五章實驗結論 85
第六章參考文獻 88

參考文獻

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指導教授

費定國(Ting-Kuo Fey)

審核日期

2005-6-28

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