單元和多元摻雜的氫氧化鎳物化性能研究.pdf

1、鎳氫電池（Ni-MH）因其綠色環(huán)保、安全性能好、性價(jià)比高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。氫氧化鎳作為Ni-MH電池的正極材料有α和β兩種晶型，在氧化過程中分別轉(zhuǎn)變?yōu)棣?NiOOH和β-NiOOH。盡管β-Ni(OH)2作為Ni-MH電池的正極材料已被應(yīng)用多年，但其低理論容量（289 mAh·g-1）和在β-Ni(OH)2/β-NiOOH轉(zhuǎn)變時(shí)體積膨脹的缺點(diǎn)限制了其性能的進(jìn)一步提高。相對(duì)商用的β-Ni(OH)2，α-Ni(O

2、H)2具有更高的理論容量（482 mAh·g-1），并且α-Ni(OH)2/γ-NiOOH轉(zhuǎn)變時(shí)沒有體積膨脹的缺點(diǎn)，但α-Ni(OH)2堆積密度較低且結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在強(qiáng)堿溶液中易轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Ni(OH)2，使其至今沒有商業(yè)化。因此，如何制備出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的α-Ni(OH)2，并克服其堆積密度低等缺點(diǎn)，是提高Ni-MH電池整體性能的關(guān)鍵。
　　本文通過多元摻雜成功制備出結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的α-Ni(OH)2，并系統(tǒng)研究了摻雜離子種類、比例、摻雜離子

3、的協(xié)同作用、層間陰離子以及晶體結(jié)構(gòu)對(duì)樣品物化性能的影響。同時(shí)首創(chuàng)通過Ca單元摻雜制備出α-Ni(OH)2。本文主要工作分三個(gè)方面：
　　1.分別以硝酸鎳、硝酸鈣及磷酸鈉和氫氧化鈉為鎳源、摻雜離子源和沉淀劑，用超聲波輔助共沉淀法通過調(diào)控Ca2+、PO3-4及NaOH用量成功制備出Ca2+摻雜Ni(OH)2。結(jié)果表明，隨Ca2+摻雜比例的增加，其產(chǎn)物的晶相由α/β-Ni(OH)2向純?chǔ)?Ni(OH)2轉(zhuǎn)變，并且層間距也隨之增大，當(dāng)Ca

4、2+摻雜摩爾比為20％時(shí)，樣品為純?chǔ)?Ni(OH)2結(jié)構(gòu)。Ca2+摻雜量一定時(shí)，β-Ni(OH)2含量隨OH-濃度提高而增大。各摻雜樣品的一次粒徑均為花瓣片狀形貌，粒徑隨摻雜比例提高而減小。隨著摻雜量的增加，樣品的電化學(xué)性能逐漸提高，當(dāng)Ca2+離子摻雜量為20 mol%時(shí)，其樣品電極的Rct最小、質(zhì)子擴(kuò)散系數(shù)最大、循環(huán)穩(wěn)定性最好，在0.2C倍率下放電比容量高達(dá)296 mAh·g-1，循環(huán)40次后放電比容量保持在90.6%。
　　2

5、.以硝酸鹽為摻雜離子源，對(duì)比研究了Al/Co/Ca多元摻雜和Ca單元摻雜樣品的物化性能。結(jié)果表明，單元摻雜樣品A為α/β-Ni(OH)2混合相結(jié)構(gòu)，顆粒較大，形貌呈準(zhǔn)球形；多元摻雜樣品 B為純?chǔ)?Ni(OH)2結(jié)構(gòu)，粒度較小，二次顆粒呈不規(guī)則形狀。對(duì)樣品進(jìn)行恒流充放電、循環(huán)伏安測(cè)試、交流阻抗譜等電化學(xué)性能測(cè)試得知， Al/Co/Ca-α-Ni(OH)2樣品具有優(yōu)異的電化學(xué)性能、較好的電化學(xué)可逆性和充電效率、較低的電化學(xué)阻抗、較高的放電比

6、容量和循環(huán)穩(wěn)定性，其復(fù)合電極在0.5C倍率下放電容量為291.8 mAh·g-1（Ca單元摻雜電極的放電容量為267.7 mAh·g-1）。經(jīng)過80個(gè)循環(huán)后，多元摻雜電極衰減率為20.63%，而單元摻雜衰減率達(dá)到29.92%。
　　3.分別用Al-Co-Mn、Al-Yb-Co-Mn復(fù)合摻雜，通過超聲波輔助共沉淀法制備出了多元摻雜α-Ni(OH)2，對(duì)樣品進(jìn)行了XRD、FT-IR、TG、SEM/EDS物理性能表征和電化學(xué)性能測(cè)試。結(jié)