鉛、鎳、鋁、鋅和銅電極改性的研究.pdf

1、從人類1800年發(fā)明簡易電池裝置始，至今逾200年。在這200年人類文明發(fā)展過程中，電池技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，電池的種類各式各樣，已與人類的生活結(jié)下了不解之緣。電池的應(yīng)用領(lǐng)域無處不在，大到航天飛行器，小到電動玩具，到處可見到電池的身影。可以說，電池技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了人類科技的發(fā)展。電池為人類璀璨的生活增加了光彩。然而，正是在這人們常見常用看似極普通的電池相關(guān)的領(lǐng)域中，仍然存在許多的問題需要深究和解決。 在大多數(shù)電池中使用的電極

2、都包括金屬電極。鉛酸電池的壽命受到金屬極板腐蝕的限制，鎳電池的容量難以提高，充電與放電時氧氣或氫氣析出會導(dǎo)致電池整體損壞，鋅電極腐蝕既損失了鋅電池的容量也縮短了電池有效存放期限或使用期限，空氣電池中的金屬電極同樣需要進(jìn)行性能的改進(jìn)或品質(zhì)的提高。這些問題的解決無疑都和金屬表面性質(zhì)的認(rèn)識和改良有關(guān)，也是冶金學(xué)和其它學(xué)科結(jié)合研究的前沿課題。 本論文針對上述問題，應(yīng)用離子注入技術(shù)將幾種金屬元素注入到鉛與鉛-4％銻合金的表面，并以電化學(xué)研

3、究方法和現(xiàn)代表面分析技術(shù)對上述兩個體系展開深入研究，意在提高鉛與鉛-4％銻合金在蓄電池用硫酸中的抗腐蝕能力，延長鉛酸電池的使用壽命；其中重點針對鈦離子注入提高鉛酸蓄電池極板抗腐蝕能力的原因進(jìn)行分析，探討鈦離子注入影響鉛及其合金表面腐蝕性能的機(jī)理，從工藝上優(yōu)化鈦離子注入的條件。論文通過實驗，研究了鈦離子注入劑量、鈦離子加速能量改變對鉛以及鉛-4％銻合金腐蝕性能的影響，明確給出了應(yīng)用鈦離子注入技術(shù)改良鉛與鉛-4％銻合金在5mol.L-1H2

4、SO4中的控制工藝條件：離子注入劑量在5x1016atom.cm-2附近，離子加速能量約為60keV時可以獲得較理想的防腐蝕效果。論文中還根據(jù)對鈦元素注入之后在試樣表面層中分布情況的實驗研究對提出的控制工藝條件作出了理論分析和解釋。本論文還應(yīng)用橢圓偏振技術(shù)原位考察了鉛在硫酸中的電化學(xué)振蕩過程。 離子注入過程中試樣表面溫度的升降對電極性能改良的效果有重要影響。本論文將傳質(zhì)學(xué)中的一些理論和處理方法應(yīng)用于傳熱學(xué)，從理論上得到了離子注入

5、過程中，基材表面溫度與注入時間等因素之間的定量關(guān)系，并將這些理論結(jié)果應(yīng)用于指導(dǎo)鉛和鉛-4％銻合金的離子注入實驗，為離子注入技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了溫度控制依據(jù)。 在反射式橢圓偏振方法的基礎(chǔ)上，本論文結(jié)合化學(xué)電源部件進(jìn)行了改性的具體研究，率先提出了橢圓偏振方法的掠射測量方式，并且從理論上對掠射式橢圓偏振參數(shù)的物理意義給出了解釋。掠射式橢圓偏振方法是本論文提出的一種全新的研究方法，為驗證這種現(xiàn)場研究方法的可行性，本論文選擇了幾個用其它方

6、法研究較為成熟的電化學(xué)體系并結(jié)合本論文研究的化學(xué)電源體系，以掠射式橢圓偏振技術(shù)進(jìn)行研究，提出了改良鎳電極、鋅電極、鋁電極和銅電極性能的具體措施或者理解這些電極表面性質(zhì)和涉及它們的電極過程的實驗依據(jù)，為使用這些電極的化學(xué)電源性能的提高奠定了基礎(chǔ)。配合離子注入技術(shù)的應(yīng)用，對鈷元素注入提高鎳電極充電效率的機(jī)理進(jìn)行了探索，證明鈷離子注入能夠緩解充電過程中鎳電極表面氧氣的析出，從而使Ni(OH)2到NiOOH轉(zhuǎn)化率提高大約10％。通過掠射式橢圓偏

7、振方法的研究，不僅肯定了這種新方法在表面化學(xué)反應(yīng)或表面變化過程現(xiàn)場研究中特有的優(yōu)勢，而且也證明這種方法能夠適應(yīng)于研究反應(yīng)物和產(chǎn)物都可以溶解的界面化學(xué)反應(yīng)體系，如K4[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6]電對之間在固體電極表面的氧化還原反應(yīng)。 以鎳電池為應(yīng)用背景，本論文還研究了鈷離子注入對鎳電極性能的影響，并分析了產(chǎn)生這種影響的原因，為離子注入技術(shù)改良含鎳電極的化學(xué)電源的性能奠定了基礎(chǔ)。鋅—空氣電池和鋁—空氣電池作為新穎的化學(xué)