PAGEI摘要鎳鋅電池作為能量存儲(chǔ)的關(guān)鍵設(shè)備，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，科學(xué)家們致力于提升鎳鋅電池的性能，特別是通過(guò)改進(jìn)其正極材料。鎳基正極材料因其高能量密度、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性以及低成本而受到廣泛關(guān)注。然而，在充放電過(guò)程中，鎳基正極容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化和活性物質(zhì)脫落，導(dǎo)致電池性能下降。為了解決這一問(wèn)題，本研究計(jì)劃引入了納米鈦酸鋇作為一種新型添加劑到鎳基正極材料中，起到穩(wěn)定正極材料的結(jié)構(gòu)，提升電池的電化學(xué)性能的作用。電化學(xué)性能測(cè)試是評(píng)估電池性能的關(guān)鍵步驟，包括循環(huán)伏安法、充放電測(cè)試和電化學(xué)阻抗譜等。這些測(cè)試能夠全面評(píng)估電池的放電容量、循環(huán)穩(wěn)定性和點(diǎn)電荷傳輸效率等關(guān)鍵性能指標(biāo)。通過(guò)對(duì)添加了納米鈦酸鋇的鎳鋅正極的電化學(xué)性能進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，能夠深入了解納米鈦酸鋇對(duì)電池性能的影響，為電池材料的進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。本文根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，在鎳基正極材料中添加納米鈦酸鋇，可以顯著提高鎳鋅電池的電化學(xué)性能，使鎳基正極材料具有更高的放電容量，容量提升20%-40%，循環(huán)穩(wěn)定性、抗大電流的穩(wěn)定性、庫(kù)倫效率等都有所改進(jìn)。未來(lái)的研究也將繼續(xù)探討納米材料對(duì)鎳基正極的影響因素，將其完善。本研究通過(guò)運(yùn)用納米材料調(diào)控技術(shù)于制備過(guò)程中，成功實(shí)現(xiàn)了鎳鋅電池電化學(xué)性能的提升，并對(duì)其進(jìn)行了全面的檢測(cè)，證明納米材料調(diào)控在增強(qiáng)電池性能方面具有一定的效果，為鎳鋅電池的未來(lái)發(fā)展與應(yīng)用提供了新的方向和策略。關(guān)鍵詞：鎳鋅電池；鎳基正極；納米鈦酸鋇；電化學(xué)性能測(cè)試；PAGEIIABSTRACTAsakeydeviceforenergystorage,nickel-zincbatterieshaveawiderangeofapplicationsinmanyfields.Inrecentyears,scientistshaveworkedtoimprovetheperformanceofnickel-zincbatteries,especiallybyimprovingtheircathodematerials.Nickel-basedcathodematerialshaveattractedwidespreadattentionduetotheirhighenergydensity,excellentcyclingstability,andlowcost.However,duringcharginganddischarging,thenickel-basedcathodeispronetostructuralchangesandthesheddingofactivematerials,resultinginadecreaseinbatteryperformance.Inordertosolvethisproblem,thisresearchprojectintroducesnano-bariumtitanateasanewadditivetonickel-basedcathodematerials,whichplaysaroleinstabilizingthestructureofcathodematerialsandimprovingtheelectrochemicalperformanceofbatteries.Electrochemicalperformancetestingisakeystepinevaluatingbatteryperformance,includingcyclicvoltammetry,charge-dischargetesting,andelectrochemicalimpedancespectroscopy.Thesetestsprovideacomprehensiveassessmentofthebattery'skeyperformanceindicatorssuchasdischargecapacity,cyclingstability,andpointchargetransferefficiency.Throughdetailedtestingoftheelectrochemicalpropertiesofthenickel-zinccathodewithbariumtitanatenano,wecangainanin-depthunderstandingoftheinfluenceofbariumtitanatenanoparticlesontheperformanceofbatteries,andprovideabasisforfurtheroptimizationofbatterymaterials.Accordingtotheanalysisofthetestresults,addingnano-bariumtitanatetothenickel-basedcathodematerialcansignificantlyimprovetheelectrochemicalperformanceofthenickel-zincbattery,sothatthenickel-basedcathodematerialhashigherdischargecapacity,thestabilityofresistancetohighcurrent,andthecapacityisincreasedto20%and40%.Futureresearchwillcontinuetoexploretheinfluencingfactorsofnanomaterialsonnickel-basedcathodesandimprovethem.Inthisstudy,theelectrochemicalperformanceofnickel-zincbatterieswassuccessfullyimprovedbyusingnanomaterialmanipulationtechnologyinthepreparationprocess,andacomprehensivetestwascarriedout,whichprovedthatnanomaterialmanipulationhasacertaineffectinenhancingbatteryperformance,andprovidedanewdirectionandstrategyforthefuturedevelopmentandapplicationofNi-zincbatteriesKeywords:Nickel-zincbattery,nickel-basedcathode,nano-bariumtitanate,electrochemicalperformancetest;PAGEI目錄1引言 11.1鎳鋅電池簡(jiǎn)介 11.1.1研究歷史 11.1.2基本原理 11.1.3研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì) 21.2儲(chǔ)能中高介電材料的應(yīng)用研究 31.2.1介電材料簡(jiǎn)介 31.2.2儲(chǔ)能中高介電材料的應(yīng)用 31.2.3高介電材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用前景 41.3選題意義 41.3.1探究介電材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的挑戰(zhàn) 41.3.2未來(lái)發(fā)展方向和應(yīng)用前景 41.4研究?jī)?nèi)容 52材料合成與測(cè)試 62.1鎳基正極的制備 62.1.1試劑及儀器 62.1.2非燒結(jié)法制備 63電化學(xué)性能測(cè)試 83.1測(cè)試設(shè)備及試劑 83.2測(cè)試步驟 83.2循環(huán)伏安測(cè)試 83.2.1測(cè)試原理 83.2.2測(cè)試結(jié)果分析 93.3電化學(xué)阻抗測(cè)試 103.3.1測(cè)試原理 103.3.2測(cè)試結(jié)果分析 113.4充放電測(cè)試 123.4.1測(cè)試原理 123.4.2測(cè)試結(jié)果分析 134結(jié)論與展望 154.1總結(jié) 154.2展望 15參考文獻(xiàn) 16致謝 171引言1.1鎳鋅電池簡(jiǎn)介1.1.1研究歷史堿性鎳鋅可充電電池自19世紀(jì)末以來(lái)已在商業(yè)上可獲得和使用。起初，鎳鋅電池的正極由氫氧化鎳制成，負(fù)極由鋅制成。然而，由于氫氧化鎳的活性低，負(fù)極鋅溶解性差等原因，制約了鎳鋅電池的發(fā)展。它的應(yīng)用被設(shè)想為混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)。但是，鋰離子電池技術(shù)的出現(xiàn)，其大規(guī)模生產(chǎn)的可行性，以及在滿(mǎn)足性能要求方面的成功，特別是能量密度和循環(huán)壽命，使其優(yōu)于未實(shí)現(xiàn)的承諾性能，受到相對(duì)短期惡化的挑戰(zhàn)，并使人們對(duì)這種化學(xué)物質(zhì)的興趣逐漸消退。盡管如此，對(duì)長(zhǎng)期、可持續(xù)、價(jià)格合理、具有高電力輸送能力的固定電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能電池的需求，以及對(duì)比鋰電池更安全的替代品的需求，通過(guò)不斷的改良與創(chuàng)新，鎳鋅電池的循環(huán)壽命和能量密度得到明顯提升，逐漸成為一種有潛力的電池技術(shù)，重新點(diǎn)燃了人們的興趣。鋅(Zn)作為一種安全、豐富、低成本的負(fù)極材料，在堿性環(huán)境中具有快速的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和高能量密度。因此，鋅-空氣電池、鋅-銀電池、鋅-錳電池和鋅-鎳電池等堿性鋅電池(AZBs)已被成功開(kāi)發(fā)并商業(yè)化。全球鋅金屬儲(chǔ)量豐富，其價(jià)格低廉毒性低，具有雙電子轉(zhuǎn)移途徑(鋅→Zn2+))，電化學(xué)活性高。作為陽(yáng)極，鋅具有高質(zhì)量比容量(820mAhg?1))，高容量(5854mAhcm?3)，約為L(zhǎng)i(2062mAhcm?3))的三倍，與其他不能直接用于水溶液電解質(zhì)的金屬陽(yáng)極(如Na、K等)相比，鋅金屬具有很強(qiáng)的抗氧化性和防潮性，這大大降低了鋅電池的加工成本。自1796年Volta研制出第一個(gè)以鋅為陽(yáng)極的原電池，即今天的伏打電池以來(lái)，各種含水鋅電池一直受到廣泛關(guān)注[1]。1.1.2基本原理近年來(lái)，鎳鋅電池備受?chē)?guó)內(nèi)外關(guān)注，鎳鋅電池中的正極為鎳電極，主要的活性材料為Ni(OH)2，目前鎳電極的制備方法一般分為燒結(jié)式和非燒結(jié)式。燒結(jié)式正極是將Ni(OH)2用化學(xué)浸潰的方法載入到多孔基板中而多孔基板是羥基鎳在還原氣氛中高溫?zé)贫傻?。雖然燒結(jié)式鎳正極表現(xiàn)出內(nèi)阻小、循環(huán)穩(wěn)定性好及能量密度高的優(yōu)點(diǎn)但是制備成本較高，耗費(fèi)時(shí)間也過(guò)長(zhǎng)。本研究主要采用的是非燒結(jié)法制備鎳鋅正極，使用的集流體是泡沫鎳，原因是其孔隙率高，能夠填充更多的氫氧化鎳活性物質(zhì)，導(dǎo)致容量和活性都比較高[2]。鎳正極放電反應(yīng)方程式為2NiOOH+2H2O+2eˉ——2Ni（OH）2+2OHˉ（1）鋅負(fù)極一般為Zn或ZnO，Zn多用于一次電池，ZnO多用于二次電池，放電反應(yīng)方程式為Zn+2OHˉ——Zn（OH）2+2eˉ（2）總方程式為2NiOOH+2H2O+Zn——2Ni（OH）2+Zn（OH)2（3）1.1.3研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)鎳Zn電池以其優(yōu)異的功率密度、高的放電電壓平臺(tái)和環(huán)境友好等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，人們?cè)陔姵刂卸嗖捎脷溲趸嚭脱趸囎鳛榛钚哉龢O材料。然而，鎳基電極的局限性是穩(wěn)定性弱，電導(dǎo)率不理想，充放電效率相比鋰電池較差。鎳鋅電池的容量是根據(jù)負(fù)極的容量過(guò)量設(shè)計(jì)的，所以Ni(OH)2作為正極材料，其性能影響著整個(gè)電池的性能，但Ni(OH)2是半導(dǎo)體，導(dǎo)電性較差，來(lái)說(shuō)，Ni(OH)2的表面比電阻比較高。因此，在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，電荷在氫氧化鎳微粒間的傳導(dǎo)阻力增大，導(dǎo)致效率降低。氫氧化鎳的質(zhì)子傳導(dǎo)率較低，阻礙了質(zhì)子在Ni(OH)2/NiOOH電對(duì)循環(huán)中的擴(kuò)散，使得顆粒內(nèi)部的Ni(OH)2不能完全反應(yīng)，導(dǎo)致正極材料利用率低下。無(wú)論是表面電阻還是內(nèi)部電阻，這些因素大多導(dǎo)致了正極的低利用率，使得氫氧化鎳的實(shí)際放電容量遠(yuǎn)低于其理論比容量[3]。但是鎳鋅電池成本低，還能夠適用于低溫環(huán)境，體積比能量較高，較為環(huán)保安全等優(yōu)點(diǎn)，也讓其在儲(chǔ)能電池領(lǐng)域能夠占有一席之地，所以目前針對(duì)正極材料的改進(jìn)，比如尋找合適的添加劑和摻雜手段，復(fù)合合適的相和結(jié)構(gòu)的材料，設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及層次化的納米材料，與碳或其他過(guò)渡金屬氧化物結(jié)合等已經(jīng)成為研究者們努力攻克的方向[4]。1.2儲(chǔ)能中高介電材料的應(yīng)用研究1.2.1介電材料簡(jiǎn)介近年來(lái)，由于新能源汽車(chē)和工業(yè)儲(chǔ)能的快速發(fā)展，對(duì)儲(chǔ)能裝置的能量密度、安全性能、循環(huán)穩(wěn)定性等提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。特別是固態(tài)鋰金屬電池，由于其能量密度高、安全性能好等優(yōu)勢(shì)，引起了人們的極大興趣。介電材料又稱(chēng)絕緣體，由于其極化效應(yīng)，被廣泛應(yīng)用于傳感、能量收集、催化等領(lǐng)域。介電材料包括壓電材料、熱釋電材料和鐵電材料，介電材料，如玻璃、云母、木材、橡膠、硬橡膠、紙張，是電絕緣或不導(dǎo)電的材料，帶隙通常大于3ev。介電材料在現(xiàn)代電子和電力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗鼈兛梢杂糜诳刂?存儲(chǔ)電荷和電能。介電材料主要分為介電陶瓷、介電聚合物和介電復(fù)合材料。根據(jù)介電響應(yīng)模式的不同，介電材料又可進(jìn)一步分為線(xiàn)性和非線(xiàn)性介電材料[5]。1.2.2儲(chǔ)能中高介電材料的應(yīng)用化學(xué)儲(chǔ)能從靜態(tài)儲(chǔ)能發(fā)展到地面和機(jī)載儲(chǔ)能，對(duì)能量密度和安全性提出了更高的要求。固態(tài)電池是解決液態(tài)電池能量密度低和安全性問(wèn)題的有效途徑之一。鋰離子固態(tài)電池?zé)o疑被認(rèn)為是最有前途的下一代電池技術(shù)以下是介電材料儲(chǔ)能領(lǐng)域的主要應(yīng)用[6]。電容器：其關(guān)鍵組成部分為介電材料。介電材料的選擇直接影響電容器的性能。高介電常數(shù)和低損耗角正切值的材料能顯著提升電容器的能量存儲(chǔ)密度和效率。超級(jí)電容器：其工作原理中，介電材料扮演著關(guān)鍵角色，通過(guò)電荷的存儲(chǔ)與釋放來(lái)完成能量的儲(chǔ)存和釋放。為了優(yōu)化超級(jí)電容器的性能，科研人員正致力于尋找具有高介電常數(shù)和低損耗角正切值的材料。鋰離子電池：介電材料的應(yīng)用至關(guān)重要。這些材料作為電池正負(fù)極間的隔離層，不僅避免了正負(fù)離子的直接接觸，還促進(jìn)了離子的有效傳輸。同時(shí)，它們還能有效防止電池內(nèi)部的短路和腐蝕，顯著提升了電池的安全性能和使用壽命。研究人員正努力開(kāi)發(fā)出介電常數(shù)更高、損耗更低、使用壽命更長(zhǎng)的介電材料。他們也在尋求新的合成技術(shù)，以進(jìn)一步提高這些材料的性能。總結(jié)來(lái)看，介電材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，包括但不限于電容器、超級(jí)電容器、鋰離子電池和光伏電池等。通過(guò)不懈的研究和創(chuàng)新，我們期望能夠創(chuàng)造出性能更佳的介電材料，從而推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。1.2.3高介電材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用前景能介電材料由于其獨(dú)特的介電、壓電和鐵電效應(yīng)，能夠有效地調(diào)節(jié)固態(tài)電池(SSBs)的界面電場(chǎng)，越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。通過(guò)在介電材料間儲(chǔ)存電荷能夠?qū)崿F(xiàn)高密度、高效率的能量存儲(chǔ)。另外，電介質(zhì)儲(chǔ)能器以其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6]。未來(lái)，隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)和可再生能源的廣泛應(yīng)用，對(duì)高效、可持續(xù)能源儲(chǔ)存技術(shù)的需求將日益迫切。介電材料作為一種綠色環(huán)保的儲(chǔ)能材料，具有穩(wěn)定性高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、容量大等優(yōu)勢(shì)，將在未來(lái)的儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。同時(shí)，隨著納米技術(shù)、多功能復(fù)合材料等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，介電材料的性能和應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，為儲(chǔ)能領(lǐng)域帶來(lái)更多創(chuàng)新[8]。1.3選題意義1.3.1探究介電材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的挑戰(zhàn)隨著以功能介電材料為重點(diǎn)的交叉領(lǐng)域的快速發(fā)展，解決固態(tài)電池(SSBs)界面問(wèn)題的新策略將越來(lái)越多地被激發(fā)出來(lái)。不可否認(rèn)的是，雖然功能介電材料彌補(bǔ)了傳統(tǒng)添加劑和界面改性材料的大量不足，但仍存在一些需要解決的挑戰(zhàn)。在長(zhǎng)時(shí)間的充放電過(guò)程中，潛在的作用機(jī)制和維持其取向偶極子的手段仍然不明確。介電材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征如何有助于內(nèi)部電場(chǎng)的形成，以及它們的微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化是否影響電場(chǎng)的方向和大小，仍然缺乏明確的認(rèn)識(shí)。應(yīng)考慮將潛在的外極化場(chǎng)與當(dāng)前的電池制造工藝(如均質(zhì)化、涂層和軋制)有效集成，以解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題[9]。1.3.2未來(lái)發(fā)展方向和應(yīng)用前景研究本課題的意義在于推動(dòng)鎳鋅電池技術(shù)的發(fā)展，提升電池性能并應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域，具有重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。鎳鋅電池作為一種環(huán)保、高效的新型儲(chǔ)能技術(shù)，具有重要的應(yīng)用前景。然而，目前鎳鋅電池在循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度方面仍存在著諸多挑戰(zhàn)，制約了其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。因此，通過(guò)調(diào)控鎳基正極材料的結(jié)構(gòu)和性能，提高鎳鋅電池的循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度具有重要的意義。鎳鋅電池作為一種關(guān)鍵的可再生能源儲(chǔ)存和利用技術(shù)，能夠有效緩解能源供需矛盾，提升能源利用效率，對(duì)節(jié)能減排和環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有顯著意義。隨著電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能等行業(yè)的快速發(fā)展，鎳鋅電池作為儲(chǔ)能設(shè)備的需求日益增長(zhǎng)。提高其循環(huán)壽命和能量密度，降低成本，對(duì)于能源領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。鎳鋅電池在航空航天、軍事裝備、通信基站等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。盡管如此，目前鎳鋅電池的循環(huán)壽命和能量密度還未能完全滿(mǎn)足這些領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軆?chǔ)能設(shè)備的需求。因此，通過(guò)本研究對(duì)鎳基正極材料的調(diào)控，提升其循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度，不僅能推動(dòng)鎳鋅電池技術(shù)的進(jìn)步，還能擴(kuò)大其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，對(duì)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和節(jié)能減排工作產(chǎn)生重要影響[10]。1.4研究?jī)?nèi)容本論文的研究重點(diǎn)在于利用納米鈦酸鋇對(duì)鎳基正極的制備進(jìn)行調(diào)控，并優(yōu)化其性能，以增強(qiáng)鎳鋅電池的電化學(xué)性能。在鎳鋅電池系統(tǒng)中，鎳基正極材料是一個(gè)關(guān)鍵要素，它對(duì)電池的循環(huán)性能和能量密度有顯著影響。本研究的目的是通過(guò)精細(xì)調(diào)整鎳基正極的結(jié)構(gòu)和性能，從而提高鎳鋅電池的電化學(xué)表現(xiàn)，推動(dòng)其技術(shù)的發(fā)展。論文探討了使用納米鈦酸鋇調(diào)控鎳基正極的非燒結(jié)法制備技術(shù)。隨后，通過(guò)電化學(xué)性能測(cè)試，包括循環(huán)伏安法、電化學(xué)阻抗譜和充放電測(cè)試，評(píng)估了經(jīng)調(diào)控的鎳基正極材料的性能變化，以及這些變化對(duì)電池循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，本研究將進(jìn)一步對(duì)納米鈦酸鋇材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行優(yōu)化，以提升鎳鋅電池的循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度。本文還將討論經(jīng)調(diào)控的鎳基正極材料和鎳鋅電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的潛在應(yīng)用和可行性[11]。

2材料合成與測(cè)試2.1鎳基正極的制備2.1.1試劑及儀器表2-SEQ表\*ARABIC\s11主要實(shí)驗(yàn)試劑試劑名稱(chēng)純度生產(chǎn)廠(chǎng)家氫氧化鎳商業(yè)級(jí)新鄉(xiāng)市和略利達(dá)電源材料有限公司泡沫鎳市售導(dǎo)電炭黑納米級(jí)江西縉禧納米材料有限公司聚偏二氟乙烯PVDF太原力之源科技有限公司3-氨丙基三乙氧基硅烷98%上海麥克林生化科技有限公司鈦酸鋇99.9%雨木（寧波）新材料有限公司表2-SEQ表\*ARABIC\s12主要實(shí)驗(yàn)儀器儀器名稱(chēng)型號(hào)廠(chǎng)家信息電子天平常州市幸運(yùn)電子設(shè)備有限公司真空干燥箱上海樹(shù)立儀器表有限公司燒杯研缽+研磨棒2.1.2非燒結(jié)法制備非燒結(jié)技術(shù)用于制備鎳基正極材料是目前研究的一個(gè)焦點(diǎn)。該制備過(guò)程要求準(zhǔn)備好鎳基正極的原料，并在一定的溫度和壓力環(huán)境下進(jìn)行混合。隨后，采用專(zhuān)門(mén)的成型工藝將混合后的材料塑造為所需的形狀。成型之后，這些材料需經(jīng)過(guò)熱處理，目的是除去可能存在的有機(jī)雜質(zhì)和水分，同時(shí)也是為了提升材料的結(jié)晶質(zhì)量和電化學(xué)活性。具體步驟為：將Ni(OH)2用化學(xué)浸潰的方法載入到多孔基板中而多孔基板是羥基鎳在還原氣氛中高溫?zé)贫傻?。雖然燒結(jié)式鎳正極表現(xiàn)出內(nèi)阻小、循環(huán)穩(wěn)定性好及能量密度高的優(yōu)點(diǎn)但是制備成本較高，耗費(fèi)時(shí)間也過(guò)長(zhǎng)。本研究主要采用的是非燒結(jié)法制備鎳鋅正極，使用的集流體是泡沫鎳，原因是其孔隙率高，能夠填充更多的氫氧化鎳活性物質(zhì)，導(dǎo)致容量和活性都比較高。制作流程如下：將活性物質(zhì)Ni(OH)2、導(dǎo)電碳、粘結(jié)劑（PVDF）按照8:1:1的比例混合，隨后加入有機(jī)溶劑混勻呈漿狀，將漿料涂膜在泡沫鎳上，然后將電極在80℃下干燥至恒重，通過(guò)壓片后制得鎳電極。此工藝流程比較簡(jiǎn)單，但也能夠提升鎳電極的材料利用率[12]。在鎳基漿料電極中引入納米BaTiO3，采用三電極體系，研究其對(duì)電化學(xué)性能的影響。同時(shí)，制備相關(guān)電極并測(cè)試，梳理結(jié)論的可靠性和科學(xué)性。設(shè)計(jì)引入的納米BaTiO3（以下簡(jiǎn)稱(chēng)BTO）的比例為2.5%/5%兩種比例。將活性物質(zhì)（含Ni(OH)2、BaTiO3，比例為97.5：2.5/95:5）、導(dǎo)電碳、粘結(jié)劑（PVDF）按照7:2:1的比例混合，其余步驟同上。在三電極的基礎(chǔ)上，進(jìn)行器件的組裝和測(cè)試工作，明確BTO在電極中的影響機(jī)制。

3電化學(xué)性能測(cè)試3.1測(cè)試設(shè)備及試劑表3-1主要實(shí)驗(yàn)試劑試劑名稱(chēng)純度生產(chǎn)廠(chǎng)家氫氧化鉀90%上海阿拉丁生化科技股份有限公司甘汞電極碳棒表3-2主要實(shí)驗(yàn)儀器儀器名稱(chēng)型號(hào)廠(chǎng)家信息電化學(xué)工作站CS2350M武漢科思特儀器股份有限公司恒溫箱3.2測(cè)試步驟使用電化學(xué)工作站進(jìn)行三電極測(cè)試步驟主要有三個(gè)部分，1.電極和電解池的組裝。2.參數(shù)的設(shè)置和運(yùn)行。3.數(shù)據(jù)整理及分析。三電極體系包括工作電極，即制備的氫氧化鎳正極；參比電極，選用飽和甘汞電極；對(duì)電極采用碳棒。電解液采用2M的KOH溶液，將電極正確安裝并浸沒(méi)在電解質(zhì)中。打開(kāi)電化學(xué)工作站并確保其與電腦連接，輸入實(shí)驗(yàn)參數(shù)，待測(cè)試完成后收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。3.2循環(huán)伏安測(cè)試3.2.1測(cè)試原理循環(huán)伏安測(cè)試是一種常用的電化學(xué)測(cè)試方法，通過(guò)在電化學(xué)活性材料與電解質(zhì)溶液之間施加一定電壓范圍內(nèi)的循環(huán)電位掃描，來(lái)研究電極表面吸附、脫附過(guò)程和電極材料的電化學(xué)性質(zhì)。該測(cè)試方法能夠全面、深入地評(píng)價(jià)電極材料的電化學(xué)性能，循環(huán)伏安測(cè)試可以全面評(píng)價(jià)鎳基正極材料的儲(chǔ)能性能，包括其儲(chǔ)鋅/儲(chǔ)鈉反應(yīng)過(guò)程、電解質(zhì)中金屬離子的溶解和析出過(guò)程以及電化學(xué)活性材料的穩(wěn)定性和壽命等。循環(huán)伏安測(cè)試旨在為材料的電化學(xué)行為提供電位-電流關(guān)系的信息，以揭示材料在電化學(xué)反應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)行為和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。通過(guò)分析循環(huán)伏安曲線(xiàn)的形態(tài)和特征，可以確定鎳基正極材料的電化學(xué)儲(chǔ)能機(jī)理，如儲(chǔ)鋅/儲(chǔ)鈉反應(yīng)的峰位和電荷傳輸機(jī)制。循環(huán)伏安測(cè)試還可評(píng)價(jià)電極材料的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、穩(wěn)定性和壽命特性，對(duì)于鎳基正極材料的性能優(yōu)化和改進(jìn)具有重要意義[13]。因此，循環(huán)伏安測(cè)試不僅可評(píng)價(jià)鎳基正極材料在有色堿性電池中的電化學(xué)性能，還可為材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升提供有效手段和參考依據(jù)。通過(guò)對(duì)循環(huán)伏安測(cè)試結(jié)果的分析，可以深入洞察鎳基正極材料的儲(chǔ)能性能和電化學(xué)行為，為調(diào)控鎳鋅電池性能提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。3.2.2測(cè)試結(jié)果分析圖3-1（a-c）分別為純Ni（OH）2、2.5%BTO、5%BT在不同掃描速率下的CV曲線(xiàn)。（d）為三者在20mV/s掃描速率下的CV曲線(xiàn)在三個(gè)檢測(cè)樣品的CV圖中，可以觀(guān)察到每一條曲線(xiàn)都有一對(duì)對(duì)稱(chēng)的氧化還原峰，反映該類(lèi)電池及摻雜改性過(guò)后的電池在充放電過(guò)程中具有可逆性，隨著掃描速率的增加，峰型也變得越來(lái)越尖銳，這是因?yàn)閽呙杷俾实脑黾訒?huì)使電池反應(yīng)在更短的時(shí)間內(nèi)完成，電流迅速增加和減少。對(duì)稱(chēng)性也會(huì)在高速掃描下降低，也表明了電池的可逆性下降，這是由于電極無(wú)法快速響應(yīng)電壓的變化，鋅離子的擴(kuò)散跟不上電化學(xué)反應(yīng)的速率。圖（d）為選用同一掃描速率的CV曲線(xiàn)對(duì)比圖，從中可以看出，2.5%BTO的曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)性最高，并且在統(tǒng)一電壓0-0.6V下，具有最高的峰電流，意味著其可逆性是三者中最好，性能較為穩(wěn)定，具有更高的電化學(xué)活性，能夠更快的進(jìn)行充放電，而其峰面積大也表明比容量較高。3.3電化學(xué)阻抗測(cè)試3.3.1測(cè)試原理化學(xué)阻抗譜測(cè)試是一種用于研究電池界面電化學(xué)性能的重要手段，通過(guò)該測(cè)試可以獲取電極/電解質(zhì)界面的電-化學(xué)信息。該方法使用小振幅的正弦波電壓作為頻率變化的擾動(dòng)信號(hào)，通過(guò)測(cè)量電流響應(yīng)來(lái)實(shí)施電化學(xué)測(cè)量。通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析和擬合，可以推斷出電化學(xué)過(guò)程中等效電路的模型，并計(jì)算出電路中各元件的參數(shù)。通過(guò)這些分析，可以進(jìn)一步探討電極結(jié)構(gòu)在電化學(xué)過(guò)程中的阻抗特性及其動(dòng)力學(xué)性質(zhì)[14]。根據(jù)電化學(xué)阻抗譜的測(cè)試原理，電池界面的電荷傳輸、電荷轉(zhuǎn)移和電解質(zhì)擴(kuò)散等過(guò)程可以得到全面的表征。在鎳鋅電池中，電化學(xué)阻抗譜測(cè)試可以用于評(píng)價(jià)鎳基正極材料界面的電化學(xué)性能。通過(guò)分析測(cè)試結(jié)果，可以揭示納米鈦酸鋇對(duì)鎳基正極材料界面電阻、電荷轉(zhuǎn)移阻抗等性能的影響，從而揭示納米鈦酸鋇調(diào)控鎳基正極的機(jī)制。電化學(xué)阻抗譜測(cè)試還可以為電池循環(huán)壽命和安全性提供重要參考信息，為電池性能優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。在電化學(xué)阻抗譜測(cè)試中，測(cè)試者在一定頻率范圍內(nèi)改變交流電壓的幅值，以監(jiān)測(cè)電池在不同頻率下的阻抗反應(yīng)，進(jìn)而揭示電池的動(dòng)力學(xué)行為。測(cè)試者還可以利用等效電路模型對(duì)測(cè)得的阻抗譜進(jìn)行擬合分析，以提取電池界面過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如電荷傳輸電阻、電荷轉(zhuǎn)移電阻和電解質(zhì)擴(kuò)散阻抗等。通過(guò)對(duì)鎳鋅電池中納米鈦酸鋇調(diào)控后鎳基正極材料的電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行全面分析，可以揭示納米鈦酸鋇對(duì)鎳基正極電化學(xué)性能的影響機(jī)制，并為進(jìn)一步調(diào)控鎳基正極材料結(jié)構(gòu)和性能提供理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3.3.2測(cè)試結(jié)果分析圖3-2純Ni（OH）2、2.5%BTO、5%BTO的EIS曲線(xiàn)從圖3-2可以看出，純NI（OH）2和2.5%BTO的高頻區(qū)呈現(xiàn)出較為明顯的半橢圓型，曲線(xiàn)在Z′上的截距表示溶液電阻，橢圓直徑表示電極界面與電解質(zhì)的電荷轉(zhuǎn)移電阻，在低頻區(qū)是與Z′呈角度的直線(xiàn)，斜率越大，表示電極中離子在嵌入和脫嵌時(shí)擴(kuò)散電阻越低，意味著離子在電極材料中的遷移速率更快，電極材料的電化學(xué)性能更好。這有助于提高電池的充放電速度和效率[15]。通過(guò)圖3-2可判斷：2.5%BTO的電池EIS曲線(xiàn)與Z′截距值較小，表示其溶液電阻小，電池內(nèi)部的電解液具有很好的導(dǎo)電性，這通常有助于提高電池的總體性能，因?yàn)樗鼫p少了電池內(nèi)部傳輸電流時(shí)的能量損失。5%BTO的曲線(xiàn)可以得出電極界面與電解質(zhì)的電荷轉(zhuǎn)移電阻較小，在低頻區(qū)曲線(xiàn)斜率大，代表其電極材料的電化學(xué)性能更好。產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象原因可能是：1.少量的摻雜提供了額外的電子或空穴，由于BTO具有特殊的鐵電性質(zhì)，它可以在電場(chǎng)作用下促進(jìn)離子的遷移，從而降低溶液電阻[16]。2.過(guò)量的BTO可能改善了電極材料與電解質(zhì)之間的界面接觸，減少了界面阻抗，使得離子轉(zhuǎn)移更加容易。3.4充放電測(cè)試3.4.1測(cè)試原理電池的充放電測(cè)試是評(píng)價(jià)電池性能的重要手段，通過(guò)該測(cè)試可以獲取電池在不同充放電條件下的電壓-容量曲線(xiàn)，從而評(píng)估電池的能量?jī)?chǔ)存能力、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。在充電過(guò)程中，正極材料釋放出氧化物離子，并吸收電子，而負(fù)極材料則向正極輸送電子，并吸附氧化物離子。反之，放電過(guò)程中，正負(fù)極的電子流方向發(fā)生了改變。通過(guò)對(duì)電池電壓和電流的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，可以得出電池在具體充放電條件下的電化學(xué)特性。充放電測(cè)試原理主要基于電化學(xué)和材料科學(xué)的理論，利用電池自身的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程來(lái)獲取電池性能參數(shù)。在進(jìn)行電池充放電測(cè)試時(shí)，需要注意控制測(cè)試條件，包括充放電速率、溫度、截止電壓等，以模擬實(shí)際應(yīng)用中的使用環(huán)境。通過(guò)對(duì)充放電測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，可以獲取電池的循環(huán)壽命、處理容量、能量密度等重要參數(shù)，為電池設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供重要依據(jù)。充放電測(cè)試的價(jià)值在于，它能直接反映出電池在持續(xù)循環(huán)使用中的性能特征，從而為電池材料和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了重要參考。同時(shí)，對(duì)電池在不同充放電條件下的性能進(jìn)行測(cè)試和比較，能夠?yàn)殡姵卦诠こ虘?yīng)用中的使用提供技術(shù)支持，增強(qiáng)電池的使用效率和安全性。充放電測(cè)試的成果還為電池性能模型的構(gòu)建和電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持[17]。3.4.2測(cè)試結(jié)果分析圖3-3（a-c）分別為純Ni（OH）2、2.5%BTO、5%BTO在不同電流密度下的GCD曲線(xiàn)。（d）為三種電池在8A/g的電流密度下進(jìn)行2000圈循環(huán)的循環(huán)保持率曲線(xiàn)。（e）為三種電池在8A/g的電流密度下進(jìn)行2000圈循環(huán)的庫(kù)倫效率曲線(xiàn)。利用電化學(xué)工作站，將電壓窗口設(shè)置為0-0.5V，將三種電池在不同電流密度下進(jìn)行恒電流充放電測(cè)試，得出的放電比容量和庫(kù)倫效率整理得圖3-4（a，b）分別為三種正極材料在相同電流密度測(cè)試下的放電比容量和庫(kù)倫效率對(duì)比圖根據(jù)充放電測(cè)試數(shù)據(jù)圖3-4（a，b），結(jié)合充放電曲線(xiàn)圖3-3（a-c），可以分析得知，在正極材料中添加BTO后，若比例合適，則可以提高電池的放電比容量，由表3-3信息可知，隨著電流密度的增加，添加2.5%BTO的正極放電比容量提升比例也隨之增加，從6A/g到15A/g依次提升比例為25%、42%，72%、383%，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。即使電流密度增大，改性之后的電池仍能維持比原電池高的容量保持率，這意味著電池在大電流充放電時(shí)損耗較小，性能衰減緩慢，這種現(xiàn)象可能源自于通過(guò)BTO摻雜改性后提升了正極材料的穩(wěn)定性，優(yōu)化了電極結(jié)構(gòu)，使其能夠有效應(yīng)對(duì)大電流帶來(lái)的壓力，從而能使其保持較好的穩(wěn)定性。電池在8A/g的電流密度下進(jìn)行2000圈的充放電循環(huán)，圖3-3（d）展示了三種電池的循環(huán)保持率變化，其中摻雜了5%BTO的循環(huán)保持率較高，而2.5%BTO的則出現(xiàn)先下降，在1500圈后有回升的現(xiàn)象，原因可能為電池在循環(huán)過(guò)程中BTO改變了電池材料的結(jié)構(gòu)，提高了循環(huán)穩(wěn)定性，而由之前GCD測(cè)試關(guān)聯(lián)分析，5%BTO摻雜量過(guò)多，含量過(guò)高，納米材料可能發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，減少了有效比表面積，降低了電池的性能，影響了電池的容量，但可能會(huì)減少電池在循環(huán)時(shí)活性物質(zhì)的脫落損失，從而提升了在大電流密度下的容量保持率。而2.5%BTO摻雜量則較少，雖然對(duì)電池的容量起到提升作用，但不足以完全改善電池的電極結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在經(jīng)歷多圈循環(huán)時(shí)，也會(huì)造成電極的微觀(guān)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而引起了結(jié)構(gòu)缺陷，反而降低了電池的循環(huán)穩(wěn)定性，在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)后，活性物質(zhì)損失，微觀(guān)結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，BTO參與重新排列或愈合，所以循環(huán)保持率就會(huì)有所提升。4結(jié)論與展望4.1總結(jié)本研究的主要發(fā)現(xiàn)包括（1）在優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)方面，通過(guò)摻雜改性和納米粒徑控制，成功利用納米鈦酸鋇對(duì)鎳基正極進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在2.5%BTO摻雜量下，鎳基正極的容量有20%-40%幅度的提升，并且在大電流充放電下，依舊能夠保持較高的容量保持率，通過(guò)阻抗測(cè)試能證明少量的BTO摻雜能降低電池電解液間的電阻；（2）5%BTO的電極雖然對(duì)電池容量產(chǎn)生了負(fù)面影響，導(dǎo)致其容量降低，但是卻能保持電池在長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)下的穩(wěn)定性，在相同工藝下制備的電極材料，5%BTO在2000圈循環(huán)后循環(huán)保持率比純Ni（OH）2高約17%。（3）添加BTO能夠增加離子的傳輸效率，提高電池的充放電效率，并且能在高電流充放電下保持高庫(kù)倫效率，在15A/g的電流密度下，相比純Ni（OH）2，2.5%BTO提升約為7%，5%BTO提升約為8%。4.2展望通過(guò)本研究的深入分析和探討，已經(jīng)明確了納米鈦酸鋇調(diào)控鎳基正極及其在鎳鋅電池中應(yīng)用的多個(gè)潛在優(yōu)化方向。我對(duì)今后繼續(xù)開(kāi)展BTO改性的研究展望如下（1）可以深入探索材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和表面特性與其電化學(xué)性能之間的關(guān)系，并利用高分辨透射電鏡（HRTEM）和X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）等技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行詳細(xì)分析，以便更好地理解調(diào)控機(jī)制和性能提升策略。（2）可以研究不同摻雜比例對(duì)材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響，通過(guò)精確控制BTO與活性物質(zhì)的配比，實(shí)現(xiàn)BTO對(duì)正極性能全面提升的精確控制，從而優(yōu)化其電化學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性。（3）還可以探索新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工