摻雜納米氫氧化鎳的制備及其電化學性能研究.pdf

1、隨著納米材料科學技術的迅猛發(fā)展，納米材料的應用研究已逐漸擴展到化學電源領域。納米氫氧化鎳作為一種新型鎳氫電池活性材料，已成為國內(nèi)外竟相研究和開發(fā)的熱點[1]。 本文采用NiC2O4.2H2O和NaOH進行室溫固相反應合成納米β-Ni(OH)2粉體，并將其粉體復合摻雜Co(OH)2和LiOH制備鎳電極活性材料。同時通過微乳液法分別采用硫酸鈷和氯化鍶復合摻雜制備納米β-Ni(OH)2、氫氧化鐵膠體摻雜制備納米α-Ni(OH)2。詳細

2、研究了它們的合成工藝條件及各種因素對其結構形態(tài)與電化學性能的影響，探討了摻雜納米氫氧化鎳電化學活性的作用機理。樣品分別進行了XRD、TEM、SEM、Raman、IR、DSC、TG-DTG等測試分析，并對其進行了充放電性能和循環(huán)伏安特性的測試研究。 研究表明，采用室溫固相反應合成的納米β-Ni(OH)2粉體分散較為均勻，平均粒徑為20nm左右；納米β-Ni(OH)2摻雜Co(OH)2和LiOH制備的復合電極充放電前后沒有產(chǎn)生引起電

3、極膨脹變形的γ-NiOOH晶體，循環(huán)伏安特性良好，電極過程材料結構穩(wěn)定。充放電性能測試結果顯示，電極的開路電位高達1.82v、放電電位平穩(wěn)于1.24v(相對于儲氫合金負極)、放電比容量達280.15mAh/g。采用微乳液法以CoSO4和SrCl2通過優(yōu)化合成工藝復合摻雜合成納米β-Ni(OH)2的最佳條件為：反應pH值、溫度、摻雜劑CoSO4、SrCl2的含量分別為10.5、40℃、3％、7％。該條件下所制備樣品的振實密度和松裝密度分別

4、達2.04、1.65g/cm3；晶胞參數(shù)a=O.3082nm，c=O.4617nm，XRD圖中(101)峰寬化程度大；樣品微粒分布較為均勻且表面比較光滑，近似于球形；樣品的Raman光譜在322、451、3573cm-1處出現(xiàn)了β-Ni(OH)2的特征峰，同時還在3676、3610、519cm-1處出現(xiàn)了與晶體結構缺陷有關的附加峰；DSC結果顯示，樣品的熱分解溫度低至304℃；對樣品粉末微電極進行的循環(huán)伏安測試，復合摻雜CoSO4和Sr

5、Cl2的樣品較未摻雜、單獨摻雜CoSO4或SrCl2的樣品具有更好的循環(huán)伏安特性，其氧化峰與還原峰電位之差為83mY，析氧電位與還原電位之差為65mV。 通過優(yōu)化合成工藝采用微乳液法摻雜Fe(OH)3膠體合成納米α-Ni(OH)2粉體的條件為：反應pH值、溫度、Fe(OH)3膠體含量分別為11、30℃、4％。在該條件下所制備樣品的層間距較大，晶格常數(shù)a=0.2919nm,c=0.7880nm；浸泡一個月后樣品的XRD特征峰沒有消

6、失，其充放電性能幾乎未發(fā)生變化，說明樣品具有很好的穩(wěn)定性；樣品在3426.1和1635.7cm-1處各出現(xiàn)了一寬的IR吸收峰，在84-165℃處出現(xiàn)了一熱失重臺階且其微分曲線上有一個寬的失重峰，說明有結晶水存在；比較樣品的循環(huán)充放電結果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過四次活化就達到了364mAh/g的高放電比容量，說明通過微乳液法摻雜Fe(OH)3膠體合成的納米α-Ni(OH)2能較好克服了α-Ni(OH)2本身存在的活化困難的缺陷；同時從對樣品的循環(huán)伏安測

7、試結果看出，摻雜Fe(OH)3膠體能夠提高α-Ni(OH)2電極過程反應的可逆性，較好地克服了其在堿性電解液中容量衰減的不利行為。 分析實驗結果顯示，具有高比表面積納米活性Ni(OH)2粉體，增強了與電解液的接觸，減少質(zhì)子在固相中的擴散距離，提高了質(zhì)子擴散性能，有效地降低活性物質(zhì)的實際電流密度，減少電極材料在電極過程中的極化程度，從而增大鎳電極充放電電流效率。同時由于摻雜劑的協(xié)同作用，改善了氫氧化鎳的晶體結構，使其在電極過程狀態(tài)