片狀氫氧化鎳的合成及電化學(xué)性能研究淺談
摘要：本文以氨水為配位劑，用配位沉淀法制備了片狀氫氧化鎳，用SEM、XRD等手段表征材料的形貌和結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了電化學(xué)性能研究。結(jié)果表明：材料為具有特殊表面片狀結(jié)構(gòu)的α-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2混合物，片厚約為20~30 nm。相比于球形Ni(OH)2，合成材料具有較好的電化學(xué)可逆性。將合成材料作為正極材料組裝成鎳氫模擬電池進(jìn)行充放電，0.2C充放電條件下，材料的放電比容量為313 mAh/g；1C充放電條件下，首次放電比容量為285 mAh/g，200次循環(huán)后容量保持率為96.8%。
Preparation and Electrochemical Performance of flaky Ni(OH)2
YUAN Guo-xia, HUANG Ke-Long, LIU Su-Qin, ZHONG Xiao-Ling
(College of Chemistry & Chemical Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410083, China)
Abstract: Flaky nickel hydroxide was synthesized by a coordination precipitation method with ammonia as the coordination agent. The product was characterized by XRD and SEM. The electrochemical performance was investigated. The results showed that the sample was formed with a special flaky α-Ni(OH)2 and β-Ni (OH)2 with the thickness of 20~30 nm. The sample has better electrochemical reversibility compared with the commercial spherical β-Ni(OH)2. The Ni/MH battery simulators with the above treated samples as positive material show a discharge capacity of 313 mAh/g at 0.2C charge/discharge rate. The first discharge capacity is 285 mAh/g at 1C charge/discharge rate with a capacity maintenance of 96.8% after 200 cycles.
Key words: flaky Ni(OH)2; coordination precipitation method; Ni/MH battery
1 前言
MH/Ni電池作為一種綠色能源，具有高比能量、可高倍率充放電和對(duì)環(huán)境無污染[1]等優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的最佳選擇之一。目前電池中采用的Ni(OH)2多為微米級(jí)球形β-Ni(OH)2，它具有較高的活性和較高的堆積密度[2]，有利于提高活性物質(zhì)的裝填量，從而提高電池的體積比容量和使用壽命。然而經(jīng)過多年開發(fā)，球形β-Ni(OH)2的電化學(xué)性能有了很大提高，實(shí)際電化學(xué)容量已接近理論值289 mAh/g，繼續(xù)開發(fā)的余地很小。隨著新型電子設(shè)備的不斷發(fā)展，迫切要求鎳氫電池具有更高的質(zhì)量比容量、體積比容量、更長(zhǎng)的循環(huán)壽命和大電流充放電等性能。而球形β-Ni(OH)2已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電器設(shè)備的要求，需研究開發(fā)其他類型的氫氧化鎳電極以滿足其需求。
Yang Li-Xia等[3]用水熱法，以乙酸鎳為原料制備了康乃馨狀Ni(OH)2；Wang De-bao等[4]用模板法制備了中空的球形Ni(OH)2；Kong Xiang-hua等[5]以硫酸鎳和氨水為原料制備了花形的Ni(OH)2；Jayashree R.S.等[6]以硝酸鎳、氫氧化鈉為原料制備了βbc-Ni(OH)2，研究表明其可逆放電容量可達(dá)400 mAh/g，遠(yuǎn)高于β-Ni(OH)2的289 mAh/g。此外，Li Xiao-lin等[7]利用層狀的NiC2O4為前驅(qū)體，在NaOH強(qiáng)堿性水熱條件下于160℃反應(yīng)12h，得到具有準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)的單晶Ni(OH)2納米片和納米棒。由于該類材料的研發(fā)時(shí)間較短，目前主要集中在制備方法的研究，很少對(duì)其進(jìn)行真正的電化學(xué)性能考察，其性能優(yōu)越性還處于展望階段。本文用氨水為配位劑，在沒有模板的條件下合成了由納米片組成的Ni(OH)2微米級(jí)花狀結(jié)構(gòu)，并對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。
2 實(shí)驗(yàn)部分
2.1 氫氧化鎳材料制備和表征
常溫下向1M Ni(NO3)2溶液中逐滴加入26%-28%氨水[8]，攪拌均勻，加熱至50℃，加入吐溫-80溶液，加熱至70℃，反應(yīng)2h，后在60℃下陳化24h。冷卻至室溫，過濾，用蒸餾水、乙醇洗滌，60℃真空干燥12h，得到的綠色粉末即為產(chǎn)物Ni(OH)2。
反應(yīng)產(chǎn)物采用XD-98型全自動(dòng)X射線衍射儀(Cu Kα)分析樣品的物相，管電壓為40 kV，管電流30 mA，掃描范圍5°~85°，掃描速度為4.0°/min；采用JSM-6360LV 掃描電子顯微鏡(SEM)、JE01-1230型透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)產(chǎn)物的表面形貌和晶粒大小進(jìn)行分析。
2.2 鎳電極的制備和電化學(xué)性能測(cè)試
將一定量的鎳活性物質(zhì)、Ni粉、CoO、粘結(jié)劑(PTFE)按照80:10:5:5的質(zhì)量比混合成黏糊狀，以泡沫鎳為基體，壓制成尺寸為1 cm×1 cm的電極片，在60 ℃下干燥，并在電解液(每升含6 mol KOH 和15g LiOH)中浸泡24 h備用。以Hg/HgO為參比電極，采用CHI660C電化學(xué)工作站(上海辰華公司)對(duì)樣品進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試。并用球形Ni(OH)2(比亞迪股份有限公司)電極進(jìn)行比較。以上述方法制備的電極片為正極，容量足夠大的LaNi5儲(chǔ)氫合金片為負(fù)極，與上述電解液組裝成模擬鎳氫電池，采用武漢金諾Land測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)模擬電池的充放電性能。鎳電極充分活化后考察模擬電池在0.2C及1C倍率下充放電的容量及循環(huán)穩(wěn)定性，放電截止電壓分別為1.0V和0.9V。
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