正极材料球形纳米氢氧化镍的制备及电化学性能研究
随着电动汽车和混合电动汽车目前的快速发展，作为天然燃料运输的替代方式是越来越少见，但最重要的，由内燃机引擎车辆所造成的环境问题的解决是有必要研究一种具有很好特性的新的电池系统(比功高，比能量高，充/放电速率高，循环寿命长等)，以克服前遇到的问题。
镍氢电池由于其技术成熟并且安全，为今后的电池系统铺平了道路，但用于正极材料的β-Ni(OH)2/β-NiOOH循环性能比较差。研究表明，纳米β-Ni(OH)2具有高的充放电速率，但其密度低(＜0.8gcm-3)，微粒易团聚，从而限制了其应用。
有人还发现，α-Ni(OH)2/γ-NiOOH循环没有太大的电极膨胀现象，理论比容量提升至485mAh/g，远高于目前β-Ni(OH)2的292mAh/g。然而，制备的困难和α-Ni(OH)2作为电池材料的稳定性需要特别注意;所制得的α-Ni(OH)2常常是胶体，以至于得到的α-Ni(OH)2往往没有固定的形貌，而纯的α-Ni(OH)2在碱性溶液中不稳定。因此，新一代高容量镍氢电池正极材料的研究变得非常迫切。
目前整个实验工作是合成两种高电化学性能的化合物即纳米球形β-Ni(OH)2和α-Ni(OH)2。用FSEM，XRD，TG-DSC，CV，ICP和恒流充放电试验，进行样本的结构表征和电化学性能测试。
β-Ni(OH)2的合成用可控络合沉淀法来进行，通过设计正交实验研究了反应的pH值，搅拌速度，氨水浓度，Ni2+和OH-离子浓度对氢氧化镍形貌、密度和结构的影响。得到具有高密度和高放电比容量样品的最佳条件是：1.2M Ni2+，2.4M OH-，1.7M氨水，pH值为11.3，大力搅拌(350rpm)。结果发现，各因素对样品密度的影响次序为：[NH3]＞pH值＞[Ni2+]＞搅拌速度＞[OH]。结果表明，在最佳条件下，陈化16h后，合成的样品压实密度达1.84g/cm3，其放电比容量在2000 mAg-1倍率和5000 mAg-1倍率时分别达到270.6和242.3mAhg-1(放电相对与ZnO/Zn到1.1V)，充电时间减少为3分钟。
对于α-Ni(OH)2的合成，我们采用了双络合可控共沉淀法，即用络合剂有效地相对独立地控制其络合镍离子和掺杂的铝离子来合成球形掺杂α-Ni(OH)2的方法。
研究表明，这种方法得到了典型的球形掺杂α-Ni(OH)2二级纳米结构，这种结构大大提高了电解质和质子电子之间的迁移面积，从而不仅在500mA/g的充放电速率下达到457.9mAh/g的比容量，容量比实际的充放电容量高，而且在330个周期内，容量效率保持在95.3％。
这项工作还报告了Zn2+和Co2+的协同作用对纳米球形掺铝α-Ni(OH)2的电化学行为的影响。结果发现，Ni0.81Al0.16Co0.016Zn0.14(OH)2流动性有所改善并且放电比容量高。从XRD结果分析还发现，所有部分替代镍离子的原子都以共沉淀进入晶格，从而增加晶格参数c。据认为，锌和钴的引进提高了样品结构的稳定性，阻止了析氧反应的发生，层间阴离子移动加快，从而提高了其电化学性能。这项研究为未来制造高充放电速率，高功率特性的镍氢电池正极提供了一个重要参考。
纳米氢氧化镍;正极材料;层状双金属氢氧化物;镍氢电池;电化学性能
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
万平玉
2010
中文
TM911.43;TM241
83
2010-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）