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随着纳米材料科学技术的迅猛发展,纳米材料的应用研究已逐渐扩展到化学电源领域。纳米氢氧化镍作为一种新型镍氢电池活性材料,已成为国内外竟相研究和开发的热点[1]。
本文采用NiC2O4.2H2O和NaOH进行室温固相反应合成纳米β-Ni(OH)2粉体,并将其粉体复合掺杂Co(OH)2和LiOH制备镍电极活性材料。同时通过微乳液法分别采用硫酸钴和氯化锶复合掺杂制备纳米β-Ni(OH)2、氢氧化铁胶体掺杂制备纳米α-Ni(OH)2。详细研究了它们的合成工艺条件及各种因素对其结构形态与电化学性能的影响,探讨了掺杂纳米氢氧化镍电化学活性的作用机理。样品分别进行了XRD、TEM、SEM、Raman、IR、DSC、TG-DTG等测试分析,并对其进行了充放电性能和循环伏安特性的测试研究。
研究表明,采用室温固相反应合成的纳米β-Ni(OH)2粉体分散较为均匀,平均粒径为20nm左右;纳米β-Ni(OH)2掺杂Co(OH)2和LiOH制备的复合电极充放电前后没有产生引起电极膨胀变形的γ-NiOOH晶体,循环伏安特性良好,电极过程材料结构稳定。充放电性能测试结果显示,电极的开路电位高达1.82v、放电电位平稳于1.24v(相对于储氢合金负极)、放电比容量达280.15mAh/g。采用微乳液法以CoSO4和SrCl2通过优化合成工艺复合掺杂合成纳米β-Ni(OH)2的最佳条件为:反应pH值、温度、掺杂剂CoSO4、SrCl2的含量分别为10.5、40℃、3%、7%。该条件下所制备样品的振实密度和松装密度分别达2.04、1.65g/cm3;晶胞参数a=O.3082nm,c=O.4617nm,XRD图中(101)峰宽化程度大;样品微粒分布较为均匀且表面比较光滑,近似于球形;样品的Raman光谱在322、451、3573cm-1处出现了β-Ni(OH)2的特征峰,同时还在3676、3610、519cm-1处出现了与晶体结构缺陷有关的附加峰;DSC结果显示,样品的热分解温度低至304℃;对样品粉末微电极进行的循环伏安测试,复合掺杂CoSO4和SrCl2的样品较未掺杂、单独掺杂CoSO4或SrCl2的样品具有更好的循环伏安特性,其氧化峰与还原峰电位之差为83mY,析氧电位与还原电位之差为65mV。
通过优化合成工艺采用微乳液法掺杂Fe(OH)3胶体合成纳米α-Ni(OH)2粉体的条件为:反应pH值、温度、Fe(OH)3胶体含量分别为11、30℃、4%。在该条件下所制备样品的层间距较大,晶格常数a=0.2919nm,c=0.7880nm;浸泡一个月后样品的XRD特征峰没有消失,其充放电性能几乎未发生变化,说明样品具有很好的稳定性;样品在3426.1和1635.7cm-1处各出现了一宽的IR吸收峰,在84-165℃处出现了一热失重台阶且其微分曲线上有一个宽的失重峰,说明有结晶水存在;比较样品的循环充放电结果,发现经过四次活化就达到了364mAh/g的高放电比容量,说明通过微乳液法掺杂Fe(OH)3胶体合成的纳米α-Ni(OH)2能较好克服了α-Ni(OH)2本身存在的活化困难的缺陷;同时从对样品的循环伏安测试结果看出,掺杂Fe(OH)3胶体能够提高α-Ni(OH)2电极过程反应的可逆性,较好地克服了其在碱性电解液中容量衰减的不利行为。
分析实验结果显示,具有高比表面积纳米活性Ni(OH)2粉体,增强了与电解液的接触,减少质子在固相中的扩散距离,提高了质子扩散性能,有效地降低活性物质的实际电流密度,减少电极材料在电极过程中的极化程度,从而增大镍电极充放电电流效率。同时由于掺杂剂的协同作用,改善了氢氧化镍的晶体结构,使其在电极过程状态较稳定,电化学活性增强,电极的电化学性能明显提高。