球形纳米结构氢氧化镍的合成及其电化学性能研究

作     者：张继泉 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄世萍

授予年度：2011年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 070301[理学-无机化学] 

主      题：镍氢电池 β-Ni(OH)2 α-Ni(OH)2 球形纳米材料 高倍率 电化学性质 

摘      要：本论文通过可控络合沉淀法分别制备了具有球形纳米结构的β-Ni(OH)2和α-Ni(OH)2,并对样品进行了XRD、FSEM、IR等表征,同时研究了样品的电化学性能。另外,我们还提出了一种新的合成α-Ni(OH)2的工艺路线。具体内容如下： (1)我们采用络合沉淀发制备了球形纳米结构的β-Ni(OH)2,并通过正交实验和单因子实验确定了氢氧化镍制备过程中的最佳反应条件和各因素对球形β-Ni(OH)2电化学性能影响的顺序,即最佳条件：CNH3=3.0 mol/l、pH=11.45、cNi2+=1.2mol/l、cOH-=2.4mol/l、T=50℃;影响顺序：CNH3:pHcNi2+T。XRD和FSEM的分析结果表明产物为粒径在8-20μm之间的p型氢氧化镍。在电化学性能方面,我们通过比较不同电流密度下样品的放电比容量,决定将2000 mA/g作为研究高倍率充放电性能的电流密度。恒流充放电测试表明,样品在2000 mA/g高电流密度下具有良好的快速充放电性能,其放电比容量在高压段高达277mAh/g。循环伏安实验测试表明样品在扫描过程中呈现出较好的可逆性。 (2)在此基础上,本文采用双络合沉淀法制备了Al含量为17mol%的Al取代α-Ni(OH)2。该样品不仅具有较好的球形结构,还具有发达的纳米二次结构,这种结构决定了样品优良的电化学性能,通过恒流充放电实验发现,我们所制备α-Ni(OH)2样品的放电比容量在250 mAh/g的电流密度下高达411mAh/g,这远远高于β-Ni(OH)2样品的理论放电比容量。该样品经过200个周期后,高压段放电比容量依然可以达到363mAh/g,表现出了较高的循环寿命。另外,通过研究不同反应液滴加速度对产品性能的影响发现,滴加速度过高时会显著影响所合成样品的放电比容量,因此,合成过程中应该采用合适的反应液滴加速度。 (3)本文探索了采用具有化学活性的新制球形结构的Al(OH)3粉体和(3-Ni(OH)2之间在装有能够络合溶解β-Ni(OH)2和Al(OH)3反应液的反应器中进行搅拌,通过(3-Ni(OH)2和Al(OH)3这两种物质的可逆溶解-共沉淀过程以实现Al3+的掺杂,XRD测试表明,在合适温度、pH值、摩尔量比等条件下可以直接制备出α-Ni(OH)2和(3-Ni(OH)2的混合物。