空气电极和锌电极的交流阻抗谱图分析
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下， １ 电极 ：： ４ｎ ； 电极 ：：－ Ｑ１３ １Ｑ ： ６ １０ ： ； 电极 ： ９
１ｏ Ｑ ； 电 极 ：：７ ０ ５ ：３：７ １Ｑ ：３； 电 极 ：： ：－； １ｎ１ｏ ９ 电极 ：：：； １ＯＯ７ 电极 ：： ：； 电极 形状基本相
动力学阻抗和氧的扩散阻抗。采用Ｃ Ｃ与聚丙烯酸钠以一定比例混合用作辞膏增稠剂， Ｍ 锌电极具有良好的电化学性能。
关键词： 锌空气 电池 ； 电极 ； 锌 空气 电极 ； 交流阻抗
锌空气 电池是一种 以空气 电极作为正极 ， 以 锌 电极作为负极的化学电源。下面分别对空气电 极和锌电极进行了交流阻抗的测试分析 。 １ 实验 １ 空气电极的制备。活 陛 ． １ 炭和乙炔黑用 乙 醇分散后加入硝酸锰 、硝酸镧和硝酸锶溶液 ， 搅 拌、 蒸干、 煅烧后研磨成粉末 ， 将此粉末用 乙醇分 随着极化电位的增加逐渐变小 ， 表明此时的阻抗 ２ ２锌电极交流阻抗分析。制备锌电极时 固 包括 电化学反应动力学阻抗和有限层扩散阻抗 ， 定 了锌粉质量 ， 分别加入不 同比例的增稠剂。 标号 扩散阻抗是 由氧在多孔催化层内的薄液膜界面上 如下 ，＃４ １ －＃电极 ：ＭＣ分别 占锌 粉质量的 １ Ｃ ％、 扩散 引起 的∞ 。 ２ ４ ８ ５ ％、％、％；＃电极 ：聚丙烯酸钠 占锌粉质量的 Ｃｍ Ｃｄ １ 一＃电极 ：ＭＣ和聚丙烯酸钠共 占锌粉质 ％； ８ Ｃ 量的 １ 且二者比例分别为 １１１２ ２１ ％， ：、： 和 ：。 所测得 的各锌电极的电化学交流阻抗谱图 散， 加入聚四氟乙烯乳液 ， 水浴搅拌呈团状 ， 在双 形状大致相同， 这里 以 ８ ＃电极为例进行分析， 见 辊压膜机 Ｅ 将团状物碾压成厚度为 Ｏ ０ ｍ左右 ，ｍ ２ 图３ 。图 ３是 ８ ＃电极在极化电位为 ２ ｍＹ下 的交 ０ 的膜， 即制得催化层。 防水透气层为具有一定孔隙 流阻抗谱图。 图中高频 区为一半圆， 它是锌电极阳 度的 ０ ０ ｍ左右的聚四氟乙烯膜 。 ． ｒ ３ａ 空气电极采用 极电化学反应 的容抗弧； 中频区仍为一容抗弧 ， 此 由内到外依次为催化层、 导电骨架 、 防水透气层 的 容抗弧是由 ０ 一 Ｈ离子在锌粉表面的吸附引起的； Ｒｊ ｎ Ｒｃ ａ Ｚ ｄ 结构， 在油雎饥 Ｅ 冷压而成。 图 ２空气电极交流阻抗的等效电路 图 低频部分是一段斜线 ，表现为 Ｗａｂ ｒ 扩散阻抗 ｒｕｇ １ ２锌电极的制备。称取一定量的锌粉 和增 根据以上分析，空气 电极在一５ｍ 下 的 １０ Ｖ 交 的性质，它是 Ｏ 一 Ｈ 离子穿过所生成的 Ｚ Ｏ或 ｚ ｎ ｎ 稠剂 ， 增稠剂采用聚丙烯酸钠和羧 甲基纤维素钠 流阻抗谱的等效 电路可表示为图 ２的形式。图中 （｝ 层 向 ｍ ０｛ ｋ 锌粉表面扩散引起的。 可见， 锌电极的阳 （ Ｍ ） 已 和氧化锌 的７ Ｋ Ｈ调成锌膏， Ｃ Ｃ， 饱 用 Ｍ ０ 并 符号 Ｒ 表示 电极外表面和参 比电极之间的溶液 极过程包括电子传递 、 Ｈ￣＂ ｓ Ｏ － 子向锌粉表面的扩散 装入模具中 ， 采用镀铅铜导线做集流针， 压实后取 电阻，ｍ为催化层内薄液膜三相界面的溶液 电阻 以及 ０ｍ翦子在锌粉表面的吸附等步骤。 Ｒ 出， 用绵纸包好。 和反应活化区域之间的接触电阻以及催化层 、 防 １ 空 气 电极和 锌 电极 的交 流 阻抗 测 试 水层的欧姆电阻之和 ， ａ 为氧还原反应 的电化 ３ Ｒｃ Ｉ） Ｉ Ｓ。Ｅ Ｓ的测试在德国 Ｚ ＨＮ Ｒ Ｅｅ ｔｃ Ａ Ｅ ｌｋｒ 公司 学极化阻抗 ， 为氧的有限甚扩散阻抗 ， Ｎｒｓ ｉ Ｚ ｄ 即 ｅ ｔ ｎ 生产的 Ｉ ６ ｅ Ｍ 的电化学工作站 Ｅ 进行 ， 参比电极 扩散阻扫 Ｃ 铲，ｍ为欧姆极化双电层电容，ｄ ｃ 为法拉 为 Ｈｇ ｇ 辅助电极为镍 片 ， Ｈ Ｏ， 电解液为 ７ ＯＨ 第反应 过程 的双 电层电容 。据 此等效 电路 ， ＭＫ 。 用 测试频率范围为 １０ Ｈ －０ ｍ ｚ ０ Ｋ ｚ１０ Ｈ ， 交流电 幅值 Ｉ ６ 电化学工作站 中的 ｓ 位 Ｍｅ Ｉ Ｍ程序对各空气 电极 为５Ｖ ｍ 。锌 电 极的澳试是在实际电池环境中进行 在一５ｍ ｉ １０ Ｖ下的交流阻抗谱图进行拟合 ， 拟合后所 的， 参比电极为锌片 。 电极为空气 电极 ， 辅助 电解 得到的各 电极动力学参数见表 １ 。 １ ０ Ｖ下的交 液为已 饱和氧化锌的 ７ Ｏ 。 的频率范围为 表 １ 由空气电极 等效电路模拟一 ５ ｍ ＭＫ Ｈ 测试 流 阻抗谱 图所得动 力学参数 ３ ＫＨ ￣０ ｚ交流电位幅值为 １ｍＶ ０ ｚ３ｍＨ ， ０ 。 ２ 结果与讨论 图 ３８ 锌 电极 在 ２ ＭＶ下 的交流 阻抗 复平 面谱 图 ０ ２ １空气电 极的交流阻抗分析。空气电极按 照硝酸锰、硝酸镧 、 硝酸锶的摩尔比分别标号如
同， 这里以 １电极的谱图为例进行分析， １ 见图 。
可以看出 ，ｓ Ｒ Ｒ 和 ｍ的大小受人为操作因素 的影响较大， Ｒ ｃ Ｚ 则主要是 由 而 ａ和 ｄ 催化剂决定 的。由 １ ， 电极 的 Ｒ ｃ ｚ 最大 ， ７ 表 知６ ＃ ａ和 ｄ 其中 ＃
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科苑 论 谈 ｊＩｊ
邵 剑娟
科
空气 电极和锌电极的交流阻抗谱图分析
（ 尔滨轻工业 学校 ，黑龙 江 哈 尔滨 １ ０ ４ ） 哈 ５ ０ ０
摘 奠 Ｉ 酸镧 和硝酸锶 同硝酸锰一起 浸渍到碳粉 中， 蒋硝 经煅烧 制得 空气电极催 化荆 ， 冷压法制成空气电极 。并以羧甲基纤维素钠和聚 丙 通过 烯酸钠作锌膏增稠 剂制作锌 电极 。用交流阻抗测试 了各个 电极的 电化学性能。交流 阻抗分析表 明， 镧氧化物和锶氧化物 的加入 ， 小了电化学反应 减
１ｏ Ｑ ； 电 极 ：：７ ０ ５ ：３：７ １Ｑ ：３； 电 极 ：： ：－； １ｎ１ｏ ９ 电极 ：：：； １ＯＯ７ 电极 ：： ：； 电极 形状基本相
动力学阻抗和氧的扩散阻抗。采用Ｃ Ｃ与聚丙烯酸钠以一定比例混合用作辞膏增稠剂， Ｍ 锌电极具有良好的电化学性能。
关键词： 锌空气 电池 ； 电极 ； 锌 空气 电极 ； 交流阻抗
锌空气 电池是一种 以空气 电极作为正极 ， 以 锌 电极作为负极的化学电源。下面分别对空气电 极和锌电极进行了交流阻抗的测试分析 。 １ 实验 １ 空气电极的制备。活 陛 ． １ 炭和乙炔黑用 乙 醇分散后加入硝酸锰 、硝酸镧和硝酸锶溶液 ， 搅 拌、 蒸干、 煅烧后研磨成粉末 ， 将此粉末用 乙醇分 随着极化电位的增加逐渐变小 ， 表明此时的阻抗 ２ ２锌电极交流阻抗分析。制备锌电极时 固 包括 电化学反应动力学阻抗和有限层扩散阻抗 ， 定 了锌粉质量 ， 分别加入不 同比例的增稠剂。 标号 扩散阻抗是 由氧在多孔催化层内的薄液膜界面上 如下 ，＃４ １ －＃电极 ：ＭＣ分别 占锌 粉质量的 １ Ｃ ％、 扩散 引起 的∞ 。 ２ ４ ８ ５ ％、％、％；＃电极 ：聚丙烯酸钠 占锌粉质量的 Ｃｍ Ｃｄ １ 一＃电极 ：ＭＣ和聚丙烯酸钠共 占锌粉质 ％； ８ Ｃ 量的 １ 且二者比例分别为 １１１２ ２１ ％， ：、： 和 ：。 所测得 的各锌电极的电化学交流阻抗谱图 散， 加入聚四氟乙烯乳液 ， 水浴搅拌呈团状 ， 在双 形状大致相同， 这里 以 ８ ＃电极为例进行分析， 见 辊压膜机 Ｅ 将团状物碾压成厚度为 Ｏ ０ ｍ左右 ，ｍ ２ 图３ 。图 ３是 ８ ＃电极在极化电位为 ２ ｍＹ下 的交 ０ 的膜， 即制得催化层。 防水透气层为具有一定孔隙 流阻抗谱图。 图中高频 区为一半圆， 它是锌电极阳 度的 ０ ０ ｍ左右的聚四氟乙烯膜 。 ． ｒ ３ａ 空气电极采用 极电化学反应 的容抗弧； 中频区仍为一容抗弧 ， 此 由内到外依次为催化层、 导电骨架 、 防水透气层 的 容抗弧是由 ０ 一 Ｈ离子在锌粉表面的吸附引起的； Ｒｊ ｎ Ｒｃ ａ Ｚ ｄ 结构， 在油雎饥 Ｅ 冷压而成。 图 ２空气电极交流阻抗的等效电路 图 低频部分是一段斜线 ，表现为 Ｗａｂ ｒ 扩散阻抗 ｒｕｇ １ ２锌电极的制备。称取一定量的锌粉 和增 根据以上分析，空气 电极在一５ｍ 下 的 １０ Ｖ 交 的性质，它是 Ｏ 一 Ｈ 离子穿过所生成的 Ｚ Ｏ或 ｚ ｎ ｎ 稠剂 ， 增稠剂采用聚丙烯酸钠和羧 甲基纤维素钠 流阻抗谱的等效 电路可表示为图 ２的形式。图中 （｝ 层 向 ｍ ０｛ ｋ 锌粉表面扩散引起的。 可见， 锌电极的阳 （ Ｍ ） 已 和氧化锌 的７ Ｋ Ｈ调成锌膏， Ｃ Ｃ， 饱 用 Ｍ ０ 并 符号 Ｒ 表示 电极外表面和参 比电极之间的溶液 极过程包括电子传递 、 Ｈ￣＂ ｓ Ｏ － 子向锌粉表面的扩散 装入模具中 ， 采用镀铅铜导线做集流针， 压实后取 电阻，ｍ为催化层内薄液膜三相界面的溶液 电阻 以及 ０ｍ翦子在锌粉表面的吸附等步骤。 Ｒ 出， 用绵纸包好。 和反应活化区域之间的接触电阻以及催化层 、 防 １ 空 气 电极和 锌 电极 的交 流 阻抗 测 试 水层的欧姆电阻之和 ， ａ 为氧还原反应 的电化 ３ Ｒｃ Ｉ） Ｉ Ｓ。Ｅ Ｓ的测试在德国 Ｚ ＨＮ Ｒ Ｅｅ ｔｃ Ａ Ｅ ｌｋｒ 公司 学极化阻抗 ， 为氧的有限甚扩散阻抗 ， Ｎｒｓ ｉ Ｚ ｄ 即 ｅ ｔ ｎ 生产的 Ｉ ６ ｅ Ｍ 的电化学工作站 Ｅ 进行 ， 参比电极 扩散阻扫 Ｃ 铲，ｍ为欧姆极化双电层电容，ｄ ｃ 为法拉 为 Ｈｇ ｇ 辅助电极为镍 片 ， Ｈ Ｏ， 电解液为 ７ ＯＨ 第反应 过程 的双 电层电容 。据 此等效 电路 ， ＭＫ 。 用 测试频率范围为 １０ Ｈ －０ ｍ ｚ ０ Ｋ ｚ１０ Ｈ ， 交流电 幅值 Ｉ ６ 电化学工作站 中的 ｓ 位 Ｍｅ Ｉ Ｍ程序对各空气 电极 为５Ｖ ｍ 。锌 电 极的澳试是在实际电池环境中进行 在一５ｍ ｉ １０ Ｖ下的交流阻抗谱图进行拟合 ， 拟合后所 的， 参比电极为锌片 。 电极为空气 电极 ， 辅助 电解 得到的各 电极动力学参数见表 １ 。 １ ０ Ｖ下的交 液为已 饱和氧化锌的 ７ Ｏ 。 的频率范围为 表 １ 由空气电极 等效电路模拟一 ５ ｍ ＭＫ Ｈ 测试 流 阻抗谱 图所得动 力学参数 ３ ＫＨ ￣０ ｚ交流电位幅值为 １ｍＶ ０ ｚ３ｍＨ ， ０ 。 ２ 结果与讨论 图 ３８ 锌 电极 在 ２ ＭＶ下 的交流 阻抗 复平 面谱 图 ０ ２ １空气电 极的交流阻抗分析。空气电极按 照硝酸锰、硝酸镧 、 硝酸锶的摩尔比分别标号如
同， 这里以 １电极的谱图为例进行分析， １ 见图 。
可以看出 ，ｓ Ｒ Ｒ 和 ｍ的大小受人为操作因素 的影响较大， Ｒ ｃ Ｚ 则主要是 由 而 ａ和 ｄ 催化剂决定 的。由 １ ， 电极 的 Ｒ ｃ ｚ 最大 ， ７ 表 知６ ＃ ａ和 ｄ 其中 ＃
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摘 奠 Ｉ 酸镧 和硝酸锶 同硝酸锰一起 浸渍到碳粉 中， 蒋硝 经煅烧 制得 空气电极催 化荆 ， 冷压法制成空气电极 。并以羧甲基纤维素钠和聚 丙 通过 烯酸钠作锌膏增稠 剂制作锌 电极 。用交流阻抗测试 了各个 电极的 电化学性能。交流 阻抗分析表 明， 镧氧化物和锶氧化物 的加入 ， 小了电化学反应 减
