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研究生:蔡昀儒
論文名稱:奈米鐵微粒於鎳鐵電池之鐵電極應用研究
論文名稱(外文):Application of Iron Nanoparticles as Material of Iron Electrode for Nickel-Iron Battery
指導教授:周更生周更生引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:化學工程學系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:Ni-Fe batteryiron eleectrode
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本實驗係利用添加導電劑於鐵電極中,利用建立一導電網路以增進其電池性能。首先合成三種結構之鐵/銅複合物電極,並比較鐵微粒與此鐵/銅複合活性材料之電化學特性,三種結構之鐵/銅複合物電極分別為以共沉澱法製作的鐵/銅複合物電極、鐵外部包覆銅的鐵/銅複合物電極與具有銅核之鐵/銅複合物電極,分別標示為方法A、方法B與方法C,其中以鐵外部包覆銅之鐵/銅複合物電極(方法B)的電池性能最佳,電容量為800 mAh/g-Fe。
利用X光繞射光譜(X-ray diffraction, XRD)分析鐵微粒與鐵/銅複合活性材料於充放電過程之產物,並利用掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM)觀測其合成之鐵/銅複合物材料與其充放電態時的表面型態,合成之粒徑約為100-250 nm,接著以循環伏安法(Cyclic voltammetry, CV)探討材料的電化學行為,由於鐵電極主要放電反應是由鐵金屬氧化為Fe(OH)2,所生成的氫氧化物會降低其導電度,由XRD與CV圖形可推測放電時產生之Fe(OH)2未能完全轉換成Fe,而是變成絕緣層阻礙電子傳遞,降低導電性,放電電容量隨之減少。研究中,於鐵電極內添加金屬銅有助於增加鐵電極導電性,幫助電子傳遞以提升電池之可逆性,並獲得電容量之提升。
鐵電極自放電研究方面,除了利用添加具有較大氫氣超電位的銅以延緩自放電之外,亦選擇利用添加緩蝕劑的方式,初步選擇(CH3CH2CH2)4NBr、Na2MoO4‧2H2O、Na2HPO4、Na2Si3O7、EDTA、Cr2O3、NaNO2等添加物添加於鐵電極中,添加物會與鐵微粒產生鍵結以減緩鐵電極自發性的腐蝕反應,進而改善自放電。
實驗中亦以固定鐵重量只改變添加的銅含量之方式,作不同鐵銅重量比之循環穩定度與大電流測試,其中,當鐵銅重量比為三比一時,具有最佳之循環電容量(800 mAh/g-Fe),大電流測試方面,放電密度分別為 0.5 C(200 mAh/g-Fe)、1 C(400 mAh/g-Fe)、2 C(800 mAh/g-Fe)、4 C(1600 mAh/g-Fe)、8 C(3200 mAh/g-Fe)與9.6 C(3840 mAh/g-Fe),當鐵銅重量比為二比一時,其大電流放電測試之電池
性能最佳,其第一階段放電電容量皆可維持約 400 mAh/g-Fe。
由於鐵電極之反應為可逆反應,因此除了以零價鐵做為鐵活性材料之外,亦利用三價鐵做為鐵活性材料之前驅物,探討其電池性能為另一延伸之研究,包含奈米FeOOH(粒徑為 125 nm)與奈米Fe3O4(粒徑為 20 nm)。FeOOH/Cu 複合物電極於200 mA/g放電速率下,電容量約為 300 mAh/g,而 Fe3O4/Cu 複合物電極則可達到1400 mAh/g,因此,Fe3O4/Cu 複合物電極不但具備較佳之電性表現,且因其製程簡單與成本相對便宜等優點,以奈米 Fe3O4作為活性材料相對於奈米
Fe更具應用上之潛力。
目前本實驗室利用奈米鐵微粒於製備鎳鐵電池上之電容量高達 800 mAh/g,則能量密度可達95 Wh/kg以上,鎳鐵電池性能與鎳氫電池不相上下,而成本卻大幅降低,該能量密度與鋰錳化合物鋰電池相同,為一般鉛酸電池的三倍,十分適合作為輕型電動交通工具使用,而成本的優勢則非鋰離子電池所能比擬,期望鎳鐵電池能為電動車產業開闢新的契機。
第一章 前言................................................................................................................1
第二章 文獻回顧........................................................................................................3
2.1 鎳鐵電池簡介...............................................................................................3
2.2 鎳鐵電池基本原理.......................................................................................4
2.3 鐵電極之自放電...........................................................................................8
2.4 添加劑的影響.............................................................................................10
2.4.1 於鐵電極中添加硫..........................................................................1
2.4.2 於鐵電極中添加碳..........................................................................1
2.4.3 於鐵電極中添加緩蝕劑..................................................................1
2.5 鐵材料之合成.............................................................................................17
2.6 鐵電極之製備.............................................................................................20
第三章 實驗方法......................................................................................................23
3.1 奈米鐵電極材料之研究架構.....................................................................23
3.2 實驗藥品.....................................................................................................24
3.3 實驗設備.....................................................................................................25
3.4 奈米鐵活性材料之合成.............................................................................26
3.4.1 奈米 Fe材料之合成.......................................................................26
3.4.2 奈米 Fe/Cu 複合物材料之合成.....................................................28
3.5 電極之製作.................................................................................................30
3.6 奈米鐵氧化物活性材料之合成.................................................................33
3.6.1 奈米 FeOOH/Cu 複合物活性材料之合成....................................33
3.6.2 奈米 Fe3O4/Cu 複合物活性材料之合成.......................................35
3.7 電池性能測試.............................................................................................37
3.7.1 鐵電極充放電測試..........................................................................37
3.7.2 鐵電極自放電測試..........................................................................38
3.8 材料分析鑑定.............................................................................................38
3.9 奈米鐵電極之自放電改善.........................................................................39
第四章 結果與討論..................................................................................................41
4.1 奈米鐵電極之合成與電性測試...................................................................41
4.2 奈米鐵材料之分析鑑定...............................................................................50
4.2.1 X-光射線繞射光譜儀(X-ray diffraction, XRD)........................51
4.2.2 掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM)........57
4.2.3 循環伏安法(Cyclic voltammetry, CV).......................................61
4.3 改變鐵銅重量比之鐵/銅複合活性材料電性測試......................................69
4.3.1 循環電容量穩定度.....................................................................69
4.3.2 大電流放電測試.........................................................................71
4.4 自放電研究-利用添加緩蝕劑之方式改善自放電...................................75
4.5 奈米鐵氧化物活性材料之電極測試...........................................................78
第五章 結論............................................................................................................82
第六章 參考文獻...................................................................................................83
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