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电池正极材料球形Ni(OH)_2的制备条件与性能研究

顾琳  
【摘要】:镍氢电池以其大功率、高容量、记忆效应小、安全性能良好、价格便宜、绿色环保无污染等优点具有广阔的发展空间。但是对于电池正极材料球形氢氧化镍来说一直存在着高活性和高密度不能兼顾的问题。 本文综述了国内外镍氢电池的研究现状,指出了镍氢电池存在的问题。采用控制化学结晶法在自制连续搅拌反应器(CSTR)中制备电池正极材料球形氢氧化镍。利用材料热力学理论、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电化学性能测试等研究手段系统深入研究了pH值、反应时间、镍离子浓度和氨镍比对球形氢氧化镍材料的表面形貌、晶体结构、堆积密度和电化学性能的影响。 材料热力学理论计算表明,反应pH值控制在9.5-11.5之间时,氢氧化镍在氨碱水溶液体系中实现热力学动态平衡,达到完全沉淀,可以有效避免体系中镍离子或碱液过多生成胶体。SEM分析表明制备得氢氧化镍均为球形颗粒,颗粒粒径粗大,颗粒直径从几微米到二十微米均匀分布。XRD分析表明其晶型均为β-Ni(OH)2,晶胞结构完整,晶体结构有序。反应pH值是影响球形氢氧化镍结构和性能的的主要因素,在一定范围内,随着pH值的增大,球形氢氧化镍的堆积密度先增大后减小,粒径分布同样先增大后减小,pH值过大体系过饱和度高,结晶度差易形成胶体,微观形貌为片状,晶粒细化因此堆积密度降低。pH值在10.5-11.5之间都具有较高的堆积密度,粒径分布均匀,球形度较好。反应时间延长利于结晶。随着反应时间的延长氢氧化镍颗粒尺寸逐渐增大,从结构松散的细小团絮状,变成颗粒尺寸较大的团聚状类球形,最终成为结构致密的球形颗粒,粒径均匀分布在2-18μm之间。镍离子浓度过大过小时,材料的球形度差,堆积密度低,因此镍离子浓度适宜控制在0.1-0.12mol/L。随着氨镍比的增大堆积密度先增大后减小,氨镍比在1-1.2之间易得到高密度的电极材料。 恒流充放电试验显示,粒径增大放电比容量降低,堆积密度增大放电比容量随之降低。pH值为10.5-11.5,镍离子浓度为0.1-0.12mol/L,氨镍比为1-1.2,反应时间24h时,制备得氢氧化镍具有较高的放电比容量和稳定的放点平台。 因此在pH值为11,镍离子浓度为0.12mol/L,氨镍比为1.2,反应时间≥24h时,制备的球形氢氧化镍颗粒球形度好,流动性好,同时具有良好的放电比容量和高堆积密度,是理想的高性能电池正极材料。


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