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高性能镍氢电池及其新型正极材料的研究

刘元刚  
【摘要】: 本论文的工作重点集中于高性能镍氢电池及其新型正极材料的研究。 对于高性能镍氢电池,本文以球型β-Ni(OH)_2、AB5型贮氢合金作为正、负极活性材料,成功研制出AA2300mAh高容量镍氢电池,其放电容量2330mAh,具有较高的充放电循环寿命;对比了6种隔膜的物理性能,深入分析了隔膜特性对动力型镍氢电池电化学性能的影响,对镍氢电池用隔膜的评价方法也进行了总结、归纳;研究了LiOH、NaOH、Na_2WO_4等电解液添加剂对镍氢电池电化学性能的影响,发现5wt%Na_2WO_4能够在短期内有效地提高镍氢电池70℃时的放电性能;根据电池爆炸后钢壳的表面及断口形貌,初步探讨了高容量镍氢电池的钢壳爆炸问题,认为钢壳表面镍镀层中的微裂纹、氢脆、充电时H+的迁移以及充电内压p的协同作用是产生电池爆炸的原因。 对于新型Ni(OH)_2正极材料,本文采用沉淀转化法制备出微尺度球型Ni(OH)_2,并将其与普通球型Ni(OH)_2以3wt%比例混合后可使镍电极的充电电位降低、放电比容量提高20mAh/g;升高加热温度,以尿素热解产生的NH3·H_2O作为沉淀剂,采用均相沉淀法制备的非掺杂及Al~(3+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)、Fe~(3+)、Co~(2+)、Mg~(2+)、Cr~(3+)单元掺杂Ni(OH)_2均属于紊态α-Ni(OH)_2结构,晶粒尺寸较小、晶格缺陷较多,均具有较高的电化学循环稳定性;相对而言,Al~(3+)掺杂α-Ni(OH)_2的放电平台较高、循环稳定性较好,具有最高的放电容量和充放电效率,其微观结构由纳米级Ni(OH)_2纤维束团聚组成,化学式为Ni_(0.70)Al_(0.18)(OH)_(1.6)(CO_3)_(0.1)(SO_4)_(0.07)·(H_2O)_(0.6) ;与25℃相比, 60℃时Al~(3+)掺杂α-Ni(OH)_2的放电比容量降低10mAh/g,晶型结构稳定性较好,电化学循环95次后仍是晶态α型结构,且具有较高的倍率放电性能。 本文首次对固相球磨法制备Ni(OH)_2电极材料进行了全面系统的研究,对比测试了非掺杂及Al~(3+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)、Fe~(3+)、Co~(2+)、Mg~(2+)、Cr~(3+)单元掺杂球磨Ni(OH)_2的相结构、电化学性能,考察了初始原料中的Ni:Al比例、球磨转速、球磨时间、球料比等工艺因素对Al~(3+)掺杂球磨Ni(OH)_2的结构及电化学性能的影响,分析了优化球磨Al~(3+)Zn~(2+)、Al~(3+)Zn~(2+)Co~(2+)多元掺杂Ni(OH)_2的相结构、热稳定性及其电化学性能。结果表明,采用行星式球磨机对苛性碱、镍盐、金属阳离子添加剂和阴离子稳定剂等直接进行固相球磨,所得产物经去离子水洗涤、离心分离、真空干燥后即可获得在碱液中稳定存在的Ni(OH)_2电极材料;Fe~(3+)、Al~(3+)掺杂球磨Ni(OH)_2属于紊态α-Ni(OH)_2,空白球磨、Zn~(2+)、Mn~(2+)、Co~(2+)、Mg~(2+)、Cr~(3+)掺杂球磨Ni(OH)_2属于β-Ni(OH)_2或以β-Ni(OH)_2结构为主;固相球磨Ni(OH)_2电极材料晶粒尺寸较小、结晶度较低、存在较多的晶型缺陷,具有较高的电化学循环寿命和结构稳定性;其中,Al~(3+)掺杂球磨α-Ni(OH)_2微观结构由纳米晶纤维束构成,表面团聚现象显著,具有较高的室温电化学性能和60℃放电循环稳定性;与Y_2O_3相比,Na_2WO_4显著提高了60℃时Al~(3+)掺杂球磨α-Ni(OH)_2的倍率放电性能;随着初始原料中Al~(3+)含量的降低, Al~(3+)掺杂球磨Ni(OH)_2经历了α-Ni(OH)_2→α/β-Ni(OH)_2→β-Ni(OH)_2的晶型结构变化,而改变球磨转速、球磨时间、球料比则不会影响Al~(3+)掺杂球磨α-Ni(OH)_2的晶型结构;在实验所考察的范围内,Al~(3+)掺杂球磨Ni(OH)_2的最佳工艺参数为:初始原料Ni:Al比例5:1、球磨转速200r/min、球磨时间90min、球料比30:1;Al~(3+)Zn~(2+)、Al~(3+)Zn~(2+)Co~(2+)多元掺杂球磨Ni(OH)_2属于紊态α-Ni(OH)_2结构,与Al~(3+)掺杂球磨α-Ni(OH)_2相比,Al~(3+)Zn~(2+)、Al~(3+)Zn~(2+)Co~(2+)多元掺杂的放电容量降低,循环稳定性提高,活化性能增强。


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