鎳基金屬化合物的改性合成及其在單液流鋅鎳電池和電贗電容器中的應(yīng)用研究.pdf

1、由于具有資源豐富、生產(chǎn)成本低，以及良好的電位和高放電比容量等優(yōu)點(diǎn)，氫氧化鎳及其相關(guān)層狀材料被廣泛地應(yīng)用于鎳氫電池、液流電池以及超級電容器中?；谝毫麟姵睾统夒娙萜鞯碾娀瘜W(xué)性能受限于其正極材料，本論文主要圍繞添加劑改善單液流鋅鎳電池鋅負(fù)極沉積形貌，高比容量α-Ni(OH)2微球的制備合成，高比電容Al摻雜鎳基金屬氧化物的構(gòu)筑以及一種新型鋅鎳氧復(fù)合單液流電池的設(shè)計組裝等四個方面工作展開，具體研究內(nèi)容如下:
　　在流動的堿性鋅酸鹽電解

2、液中，研究了添加劑鉛離子(Pb(Ⅱ))和四丁基溴化銨(TBAB)對海綿鋅生長的抑制作用。實(shí)驗(yàn)中分別采用恒電位極化測試（電流-時間曲線）、掃描電子顯微鏡(SEM)測試以及電池循環(huán)性能測試等表征手段評價了兩種添加劑的作用效果。研究結(jié)果表明，在-100mV的陰極過電位下，向空白電解液中分別添加10-4M Pb(Ⅱ)和10-4M TBAB均能有效地抑制海綿鋅的生長，且同時添加10-4M Pb(Ⅱ)和5×10-5M TBAB能更有效地抑制海綿鋅的

3、生長，這主要是由于兩種添加劑在改善鋅沉積形貌上具有協(xié)同作用。單液流鋅鎳電池的恒流充放電循環(huán)測試表明，對比空白電解液，添加10-4MPb(Ⅱ)在一定程度上提高了電池的充放電效率，而同時添加10-4MPb(Ⅱ)和5×10-5MTBAB能更明顯地改善了鋅陽極的二次充放電性能，50個周期的平均庫倫效率為98％，平均能量效率為82％，且沒有發(fā)現(xiàn)電池性能衰減跡象，這進(jìn)一步證明了它們的協(xié)同作用。
　　氫氧化鎳(Ni(OH)2)具有兩種晶型，α型

4、和β型，由Bode圖可知，α-Ni(OH)2的理論比容量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于β-Ni(OH)2，因而具有更廣泛的用途。在此，本文采用了一種新型綠色的雙絡(luò)合沉淀法(DCP)成功制備合成出了Al摻雜α-Ni(OH)2。結(jié)構(gòu)和形貌表征結(jié)果表明，它是由大量無序的納米片堆積而成的。電化學(xué)測試研究結(jié)果表明，在500mAg-1電流密度下，研究電極給出了457.9mAhg-1的比容量值，這是同等條件下β-Ni(OH)2的1.47倍。同時，該電極在2000個周期后

5、仍能保持87.0％的比容量值。而且向產(chǎn)品中摻雜Co原子進(jìn)一步提高了Al摻雜α-Ni(OH)2的電化學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，合成產(chǎn)品在500mA g-1下給出了470.3mAh g-1的比容量值，500個循環(huán)周期后仍能保持95.2％比容量值，這主要得益于金屬離子的摻雜和特殊的分級結(jié)構(gòu)。
　　本文采用簡單可行并伴有煅燒步驟的水熱法成功制備合成出了具有良好贗電容性能的Al摻雜NiO納米陣列。電化學(xué)測試結(jié)果表明，在1Ag-1的電流密度下，該產(chǎn)物

6、能給出1653F g-1的比電容值，而純NiO電極僅給出了1138Fg-1的比電容值。此外，Al摻雜NiO電極經(jīng)過5000次恒流充放電循環(huán)，比電容值的保持率為99％，由此可見，其循環(huán)性能較好。Al摻雜NiO納米陣列良好的電化學(xué)性能可能是由于其較大的比表面以及高導(dǎo)電性所致。對比未摻雜NiO，摻雜Al并沒有顯著提高其電化學(xué)性能，這可能與摻雜Al的含量和反應(yīng)溫度等因素有關(guān)。因此，提出的摻雜方法對構(gòu)筑高性能的納米能量體系具有一定的啟發(fā)意義。

7、r>　　為了改善單液流鋅鎳電池鋅負(fù)極在循環(huán)過程中出現(xiàn)的鋅累積現(xiàn)象，本文提出了一種具有Ni(OH)2-O2復(fù)合陰極的新型鋅鎳氧復(fù)合型單液流電池。該電池采用高濃度的KOH-K2[Zn(OH)4]溶液作為電解液，并利用循環(huán)泵在電池管道內(nèi)循環(huán)輸送，陽極采用的是高純銅箔惰性集流體，為溶解在電解液中的活性成分鋅發(fā)生沉積和溶解反應(yīng)提供場所，陰極是負(fù)載有O2催化層和O2滲透層的α-Ni(OH)2電極，其中O2催化層和O2滲透層是由本課題組提出，α-Ni

8、(OH)2為分級Al取代α-Ni(OH)2微球。電化學(xué)測試表明，這種設(shè)計的單液流鋅鎳氧電池在恒流充放電電流密度為20mA cm-2，充電最大面容量為20mAh cm-2時，并在限定放電截止電壓為1.2V的條件下，在首個500循環(huán)周期內(nèi)，電池的最高庫倫效率為99.7％，平均庫倫效率是99.2％，平均能量效率是84.2％，且在1.63V和1.31V出現(xiàn)了兩個放電平臺。同時，放電結(jié)束時在負(fù)極上并沒觀察到鋅枝晶累積現(xiàn)象，這表明這種新設(shè)計的具有氫