基本信息
- 項目名稱：
- Ni(OH)2/MCNTs復(fù)合電極活性材料的制備與電化學(xué)性能研究
- 小類：
- 能源化工
- 簡介：
- 碳納米管（CNT）具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、極高的強度、極大的韌性和很高的比表面積，是一類理想的導(dǎo)電添加劑。而本項目利用化學(xué)共沉淀法把在液相中現(xiàn)場生成的氫氧化鎳微粒直接分散負載在MCNT 表面，使二者成為一種原位復(fù)合材料，MCNT在復(fù)合材料中形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不僅可以改善氫氧化鎳顆粒內(nèi)部及顆粒間的導(dǎo)電性和高倍率性能，同時其優(yōu)異的力學(xué)性能還可以有效地抑制鎳電極在高倍率充放電過程中的膨脹粉化，進而提高其循環(huán)壽命。
- 詳細介紹：
- 碳納米管（CNT）具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、極高的強度、極大的韌性和很高的比表面積，是一類理想的導(dǎo)電添加劑。相對于單壁碳納米管（SCNT）的低產(chǎn)率，近幾年來多壁碳納米管（MCNT）的制備方法獲得了突破，這也為MCNT 的實踐應(yīng)用提供了條件。在電化學(xué)領(lǐng)域，MCNT 在燃料電池、超級電容器以及鋰離子電池電極材料方面的應(yīng)用已被大量研究，并取得了一定的成果。但在鎳氫電池正極材料方面，MCNT 的應(yīng)用研究鮮有報道。Tu 等研究發(fā)現(xiàn)在鎳電極中直接添加MCNT 可以改善電池的高倍率放電性能、提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和放電平臺，該研究為改善氫氧化鎳的高倍率性能提供了參考。但是，直接將MCNT 機械混合添加到氫氧化鎳粉體中，無法改善氫氧化鎳顆粒內(nèi)部的導(dǎo)電性。此外，MCNT 的不均分布還會導(dǎo)致其利用率下降，不能充分地的改善氫氧化鎳的高倍率性能。因此，有必要探索更有效的MCNT 添加新方法。 本項目的主要研究目的是，利用化學(xué)共沉淀法把在液相中現(xiàn)場生成的氫氧化鎳微粒直接分散負載在MCNT 表面，使二者成為一種原位復(fù)合材料，MCNT在復(fù)合材料中形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不僅可以改善氫氧化鎳顆粒內(nèi)部及顆粒間的導(dǎo)電性和高倍率性能，同時其優(yōu)異的力學(xué)性能還可以有效地抑制鎳電極在高倍率充放電過程中的膨脹粉化，進而提高其循環(huán)壽命。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 為了充分改善Ni(OH)2的導(dǎo)電性，利用化學(xué)共沉淀法把在液相中現(xiàn)場生成的氫氧化鎳微粒直接分散負載在MCNT表面，使二者成為一種復(fù)合材料。MCNT在復(fù)合材料中形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不僅可以改善氫氧化鎳顆粒內(nèi)部及顆粒間的導(dǎo)電性和高倍率性能，同時其優(yōu)異的力學(xué)性能還可以有效地抑制鎳電極在高倍率充放電過程中的膨脹粉化，進而提高其循環(huán)壽命。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 科學(xué)性和先進性：高比容量和大電流充放電性能是目前制約鎳基電池發(fā)展的最關(guān)鍵問題，本項目擬采用結(jié)晶控制的方法在氫氧化鎳體相內(nèi)部復(fù)合納米碳材料的方法從本質(zhì)上提高氫氧化鎳的導(dǎo)電性，提高材料的大電流充放電特性。 獨特之處：將高導(dǎo)電性的納碳材料原位復(fù)合到氫氧化鎳體相中，一方面可以提高材料的導(dǎo)電性，另一方面還可以控制材料充放電過程體系膨脹-收縮造成的粉化，進而提高材料的電化學(xué)穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 本項目的實施對解決目前鎳氫電池作為動力電池的關(guān)鍵性問題，即高比容量和大電流充放電性能，促進高性能鎳氫動力電池的研究和開發(fā)具有重要的理論意義和實際價值；廣西具有豐富的鋁、鎳、稀土等有色金屬資源，本項目研究的動力電池用氫氧化鎳正極材料對鎳及其它相關(guān)有色金屬資源的深開發(fā)和利用具有重要意義。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 金屬氫化物鎳(MH/Ni)電池是現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的二次電池之一，提高MH/Ni電池的功率特性是MH/Ni電池在電動汽車等領(lǐng)域推廣應(yīng)用的重要任務(wù)。但正極活性材料β-Ni(OH)2導(dǎo)電性差的特點影響了MH/Ni電池高倍率性能的提高。為了改善β-Ni(OH)2的導(dǎo)電性，提高其倍率性能，本論文通過化學(xué)共沉淀法將液相中現(xiàn)場生成的β-Ni(OH)2負載于多壁碳納米管（MCNT）表面，使二者形成一種復(fù)合電極活性材料。采用X射線衍射（XRD）、紅外光譜（IR），熱重分析（TG-DTA）和掃描電子顯微鏡（SEM）對樣品材料的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌進行了表征；采用循環(huán)伏安（CV）、交流阻抗（EIS）和充放電測試對樣品的電化學(xué)性能進行了表征。結(jié)果表明，碳納米管復(fù)合并沒有改變β-Ni(OH)2的晶體結(jié)構(gòu)，但明顯增加了β-Ni(OH)2的結(jié)構(gòu)缺陷；在β-Ni(OH)2中復(fù)合一定量的MCNT能夠改善鎳電極的電化學(xué)反應(yīng)的可逆性，降低鎳電極的電化學(xué)反應(yīng)阻抗，進而提高鎳電極的放電比容量和循環(huán)性能。
獲獎情況
- 發(fā)表論文：Preparation and Characterization of Nickel Hydroxide/Multi-Wall Carbon Nanotubes Composite. The Fourth China-Europe Symposium on Processing and Properties of Reinforced Polymers. Guilin, 8-12 June 2009 (P-069, p207) 獲獎：作品曾在2010年獲得“2009年大學(xué)生科技成果特等獎”
鑒定結(jié)果
- 以上作品的發(fā)表及所獲獎勵有附加的材料來證實和鑒定。在對作品的發(fā)表刊登上，望核實及校對。
參考文獻
- 現(xiàn)有技術(shù)及技術(shù)文獻： [1] 李延偉, 劉長久*, 姚金環(huán). 非晶相氫氧化鎳電極材料的研究進展. 現(xiàn)代化工 2010, (2) 25-27+29. [2] 李延偉*，李月曉，姚金環(huán)，姜吉瓊，張正剛，劉長久. 層間陰離子對鋁取代氫氧化鎳電化學(xué)性能的影響. 化工學(xué)報, 2010, 61 (10): 2703-2707. [3] 李延偉*, 李月曉, 姚金環(huán), 劉長久, 朱文鳳. α/β互嵌氫氧化鎳電極活性材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能. 材料研究學(xué)報, 2011, 25(1): 51-56. [4] Changjiu Liu*, Yanwei Li*, Peipei Li, Chunxiao Xing. Structure and lectrochemical Performance of Nickel Hydroxide Synthesized by Rapid Quench Method. Mat. Res. Bull., 2010, 45(12): 2001-2005. [5] Changjiu Liu, Yanwei Li*. Synthesis and characterization of amorphous α-nickel hydroxide. J. Alloy Compd. 2009, 478 (1-2): 415-418.
同類課題研究水平概述
- 汽車尾氣排放對城市造成的嚴重空氣污染以及全球石油危機日益嚴重，已開始受到各國政府的高度重視。解決問題的最佳途徑之一在于發(fā)展電動車輛。電池的可靠性、安全性、電池材料的資源與環(huán)境問題以及電池性能的發(fā)展趨勢，鎳氫電池被確定為電動車首選動力電池。鎳氫電池中，正極活性物質(zhì)氫氧化鎳的性能是電池整體綜合性能提高的關(guān)鍵，也是目前制約鎳氫動力電池發(fā)展的“瓶頸”。因此，設(shè)計和制備高性能氫氧化鎳電極材料仍然是目前的熱點課題之一。 氫氧化鎳是一類低導(dǎo)電性的半導(dǎo)體電極活性材料，放電過程為固相質(zhì)子擴散控制。較低的高倍率性能是影響氫氧化鎳作為動力電池正極材料的關(guān)鍵，因此如何提高氫氧化鎳的高倍率性能成為目前人們關(guān)注的課題之一。為改善氫氧化鎳的電子導(dǎo)電性，提高其高倍率性能，目前最常用的方法是直接對氫氧化鎳粉體包覆或添加鈷添加劑（如：Co、CoO、CoOOH）。鈷添加劑可以在一定程度上改善氫氧化鎳的高倍率性能，但鈷添加劑與氫氧化鎳顆粒之間的這種物理混合無法降低氫氧化鎳顆粒內(nèi)部的電阻，因而不能有效地改善氫氧化鎳的高倍率性能。碳納米管具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、極高的強度、極大的韌性和很高的比表面積，是一類理想的導(dǎo)電添加劑。相對于單壁碳納米管的低產(chǎn)率，近幾年來多壁碳納米管的制備方法獲得了突破，這也為MCNT 的實踐應(yīng)用提供了條件。在電化學(xué)領(lǐng)域，MCNT 在燃料電池、超級電容器以及鋰離子電池電極材料方面的應(yīng)用已被大量研究，并取得了一定的成果。但在鎳氫電池正極材料方面，MCNT 的應(yīng)用研究鮮有報道。Tu 等研究發(fā)現(xiàn)在鎳電極中直接添加MCNT 可以改善電池的高倍率放電性能、提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和放電平臺，該研究為改善氫氧化鎳的高倍率性能提供了參考。但是，直接將MCNT 機械混合添加到氫氧化鎳粉體中，無法改善氫氧化鎳顆粒內(nèi)部的導(dǎo)電性。此外，MCNT 的不均分布還會導(dǎo)致其利用率下降，不能充分地的改善氫氧化鎳的高倍率性能。因此，有必要探索更有效的MCNT 添加新方法。
