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基本信息

項(xiàng)目名稱：
二元物質(zhì)復(fù)合摻雜非晶態(tài)氫氧化鎳電極材料的性能研究
小類：
能源化工
簡介：
作品從非晶態(tài)材料角度出發(fā)，構(gòu)建了稀土和金屬離子二元物質(zhì)復(fù)合摻雜非晶態(tài)氫氧化鎳粉體材料的制備方法，同時較為系統(tǒng)地研究了其微結(jié)構(gòu)特征、電化學(xué)性能和相應(yīng)的電化學(xué)效應(yīng)作用。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以4%Y(Ⅲ)和16%Al(Ⅲ)復(fù)合摻雜制備的非晶態(tài)氫氧化鎳材料的微結(jié)構(gòu)無序性強(qiáng)，質(zhì)子缺陷較多，并含有較多結(jié)晶水。將樣品粉體合成鎳電極材料并組裝成MH-Ni模擬電池，其導(dǎo)電性能較好，在一定的充放電制度下，其放電比容量高達(dá)352mAh/g，且在電極過程中材料循環(huán)可逆性較好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，質(zhì)子擴(kuò)散速度快，表現(xiàn)出比目前MH-Ni電池生產(chǎn)應(yīng)用的β-Ni(OH)2較高的電化學(xué)活性及性能。
詳細(xì)介紹：
在鎳系列電池中，MH-Ni電池因具有較高的比能量、低溫性能好、可快速充放電、耐過充放能力強(qiáng)、無明顯的記憶效應(yīng)及不存在重金屬鎘、汞對環(huán)境的污染等突出優(yōu)點(diǎn)，在通訊設(shè)備、便攜式電器、動力電源有著廣泛的應(yīng)用，而且在電動汽車領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用市場前景，其研究開發(fā)倍受人們的關(guān)注。然而，在目前氫鎳電池所應(yīng)用的正極活性材料β-Ni(OH)2存在比容量較低和α-Ni(OH)2雖比容量高，但在堿性電解液中極不穩(wěn)定的問題與困境。MH-Ni電池性能的改善，其關(guān)鍵是氫氧化鎳為活性物質(zhì)的正極材料性能的提高。非晶態(tài)材料是一種熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)材料，在原子排列上呈現(xiàn)長程無序而短程有序的結(jié)構(gòu)，含有很多配位不飽和原子，富于反應(yīng)活性，表現(xiàn)出不同于晶態(tài)材料的許多特殊物理、化學(xué)性質(zhì)，同時考慮到稀土物質(zhì)具有獨(dú)特的電子組態(tài)和4f電子運(yùn)動特性以及功能性金屬離子的強(qiáng)電化學(xué)活性作用，作品采用快速冷凍共沉淀法在55℃下攪拌反應(yīng)時間2h，反應(yīng)pH值控制在10.6-11.0，干燥溫度為80℃的工藝條件下制備出稀土Y(Ⅲ)與金屬陽離子Al(Ⅲ)復(fù)合摻雜非晶態(tài)氫氧化鎳粉體材料。經(jīng)采用XRD、SAED、SEM、EDS、Raman、TG及DTG和DSC對樣品材料的微結(jié)構(gòu)及形貌進(jìn)行表征分析以及利用電化學(xué)工作站測試其電化學(xué)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：復(fù)合摻雜4%Y(Ⅲ)16%Al(Ⅲ)的非晶態(tài)Ni(OH)2具有較多的微結(jié)構(gòu)缺陷，而且無序度較大，并含有較多結(jié)晶水。將其作為鎳正極活性物質(zhì)并組裝成MH-Ni電池，在0.2C恒電流充電6h，0.2C恒電流放電，終止電壓為1.0V的充放電制度下其放電比容量可達(dá)352mAh/g，放電中值電壓為1.3364V，而且放電平臺較平穩(wěn)；同時具有較低的電荷轉(zhuǎn)移電阻0.6764ohm和溶液電阻0.1922ohm，質(zhì)子擴(kuò)散系數(shù)較大，為1.32×10-9cm2/s。同時復(fù)合摻雜4%Y(Ⅲ)16%Al(Ⅲ)樣品電極在充放電過程中經(jīng)4次充放電活化就能獲得最大值放電比容量，活化速度快；經(jīng)30次充放電循環(huán)后非晶態(tài)的Ni(OH)2微結(jié)構(gòu)仍保持不變，放電比容量衰減率為1.86%，電極過程材料的循環(huán)可逆性能較好，表現(xiàn)出比β-Ni(OH)2和α-Ni(OH)2較高的電化學(xué)活性，可望于實(shí)際開發(fā)應(yīng)用。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

目的：通過課題的研究，旨在為開發(fā)新型化學(xué)電源電極活性材料研制新途徑及提供有學(xué)術(shù)價值的理論依據(jù)。 基本思路：電極性能的改善依賴電極活性材料的更新。非晶態(tài)材料無序性強(qiáng)并含有許多配位不飽和原子及富于反應(yīng)活性，同時不存在晶態(tài)材料影響其電化學(xué)性能的晶界、位錯與孿晶缺點(diǎn)。從非晶態(tài)材料的角度出發(fā)，研究復(fù)合摻雜非晶態(tài)氫氧化鎳的制備及其作為電極材料的電化學(xué)性能，旨在開發(fā)高性能電極材料的新途徑。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

作品從非晶態(tài)復(fù)合材料角度出發(fā)構(gòu)建稀土Y（Ⅲ）和金屬Al（Ⅲ）二元物質(zhì)摻雜非晶態(tài)氫氧化鎳復(fù)合材料的制備方法，同時較為系統(tǒng)地研究其結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能及效應(yīng)影響作用，內(nèi)容有較強(qiáng)創(chuàng)新性，思路和方法另辟途徑。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義

作品從具有異于晶態(tài)材料的物理及化學(xué)特性的非晶態(tài)材料研制出的稀土Y（Ⅲ）和金屬Al（Ⅲ）二元摻雜非晶態(tài)氫氧化鎳電極活性材料，具有比目前應(yīng)用的晶態(tài)β-Ni(OH)2較高的電化學(xué)性能，同時比晶態(tài)α-Ni(OH)2較好的電極過程的穩(wěn)定性，其研究工作成果具有實(shí)際應(yīng)用開發(fā)的價值和前景，對于開辟化學(xué)電源電極材料研制的新途徑有著重要現(xiàn)實(shí)和理論意義。

學(xué)術(shù)論文摘要

論文采用快速冷凍共沉淀法制備出Y(Ⅲ)和Al(Ⅲ)復(fù)合摻雜非晶態(tài)氫氧化鎳粉體材料，并對樣品材料的微結(jié)構(gòu)及物理特征進(jìn)行了表征分析。同時將樣品材料作為鎳正極材料活性物質(zhì)合成電極并組裝成MH-Ni模擬電池，較為系統(tǒng)研究其電化學(xué)性能及電化學(xué)活性效應(yīng)作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)合摻雜Y(Ⅲ)和Al(Ⅲ)非晶態(tài)Ni(OH)2樣品材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷較多，無序性強(qiáng)；摻雜4%Y(Ⅲ)16%Al(Ⅲ)的樣品電極模擬電池在0.2C恒電流充電6h，0.2C恒電流放電，終止電壓為1.0V的充放電制度下，其放電比容量可達(dá)352mAh/g，且在電極過程中材料循環(huán)可逆性較好，電極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，質(zhì)子擴(kuò)散遷移速度快，擴(kuò)散系數(shù)為1.32×10-9 cm2/s，表現(xiàn)出較高的電化學(xué)活性。

獲獎情況

作品《稀土La（Ⅲ）與Sr（Ⅱ）復(fù)合摻雜非晶態(tài)Ni(OH)2的制備及其電化學(xué)性能研究》參加某校2007-2008年大學(xué)生課外科技活動競賽獲一等獎。

鑒定結(jié)果

參考文獻(xiàn)

1. Ovshinsky S R et al，Enhanced Nickel hydroxide positive electrode material for alkaline rechargeable electrochemical cells [P].USA patent：5523182，1996-06. 2. 劉長久等，電極材料非晶態(tài)氫氧化鎳的電化學(xué)活性[J].稀有金屬材料與工程，2006， 35(10). 3. 劉長久等，非晶態(tài)氫氧化鎳材料電極理論放電容量估算[J]. 稀有金屬材料與工程， 2007，36(1). 4. 尚偉等，非晶態(tài)Ni(OH)2電極材料的制備工藝[J].過程工程學(xué)報，2007，7(3).

同類課題研究水平概述

目前，國內(nèi)外氫鎳電池行業(yè)普遍采用傳統(tǒng)尺寸晶型β-Ni(OH)2作為鎳正極材料的活性物質(zhì)，但其在充放電過程中僅涉及到一個電子轉(zhuǎn)移，其理論容量只有289mAh/g，同時其電極過程易發(fā)生膨脹。隨著電子設(shè)備的小型化發(fā)展，要求電池重量和體積都需隨之減少。另外，動力電源非常需求高功率的清潔化學(xué)電源，這就迫切要求氫鎳電池鎳電極比容量要成倍提高。顯然傳統(tǒng)的β-Ni(OH)2電極活性材料很難適應(yīng)這種發(fā)展需求。近年來，國內(nèi)外化學(xué)電源材料工作者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，α-Ni(OH)2在α/γ電對充電過程中，電子轉(zhuǎn)移數(shù)大于1，平均每摩爾Ni原子比β-Ni(OH)2近67%的理論比容量，可達(dá)到480mAh/g，而且在過充電時不存在膨脹問題。但是，α-Ni(OH)2在強(qiáng)堿性溶液中極不穩(wěn)定，很容易轉(zhuǎn)化為β-Ni(OH)2。為了解決這個問題，國外Demourgues等研究了α-Ni(OH)2的物理、化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)，Kamath等合成了較為穩(wěn)定的Al摻雜α-Ni(OH)2，國內(nèi)清華大學(xué)等單位電池工作者在制備穩(wěn)定α-Ni(OH)2及其性質(zhì)的研究方面也做了不少工作。盡管這些工作都取得了一定進(jìn)展，但由于其取代摻雜后振實(shí)密度和比容量仍較低以及活化困難，需經(jīng)反復(fù)多次充放電循環(huán)較大調(diào)整才有望趨于較穩(wěn)定，從而α-Ni(OH)2至今未能用于電池工業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)用。因此，高比容量、高性能并與環(huán)境友好的氫氧化鎳電極活性材料的研制，其應(yīng)用基礎(chǔ)還存在許多急待解決的問題，有待進(jìn)一步深入研究。 研究表明，化學(xué)電源電極性能的提高依賴于電極材料的更新及對其電極過程的深刻認(rèn)識。非晶材料其內(nèi)部不存在晶態(tài)材料的晶界、位錯、孿晶等缺陷。非晶態(tài)氫氧化鎳電化學(xué)活性點(diǎn)不受晶體結(jié)構(gòu)的限制而明顯增多，表現(xiàn)出許多不同于晶態(tài)材料的物理、化學(xué)特殊性質(zhì)，并與電極材料的電化學(xué)活性密切相關(guān)。目前對摻雜非晶態(tài)材料的微結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)活性與作用機(jī)理的研究與應(yīng)用開發(fā)尚未見到除本研究課題組以外的其它報道。因此，本作品從非晶態(tài)材料的角度出發(fā)，制備高電化學(xué)活性的摻雜非晶態(tài)氫氧化鎳，目的在于弄清其電化學(xué)活性的作用機(jī)理及其微結(jié)構(gòu)特性對電化學(xué)性能影響的內(nèi)在機(jī)制，克服目前生產(chǎn)應(yīng)用晶態(tài)氫氧化鎳存在的不足與問題和困境，開辟研制高比容量、高性能綠色電池的新途徑。項(xiàng)目的研究對于新型環(huán)保電池的開發(fā)研制和發(fā)展我區(qū)具有豐富資源的有色金屬深加工產(chǎn)業(yè)，具有重要的科學(xué)理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。
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