基本信息
- 項目名稱：
- 鎳氫電池正極材料納米Ni(OH)2制備及其復合電極放電性能研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 我國正在大力推進新能源戰(zhàn)略，作為綠色環(huán)保電池的鎳氫電池在動力電源方面具有廣泛的應用。氫氧化鎳是鎳氫電池正極材料，納米氫氧化鎳因其高活性將對鎳氫電池容量產(chǎn)生重要影響。本作品研究納米Ni(OH)2 的制備工藝,并用制備的納米粉體應用于提高鎳氫電池的性能，因此作品具有重大實際意義。本論文內(nèi)容已申請中國發(fā)明專利（受理號：200910038501.8）。 本作品以硝酸鎳和氫氧化鈉為主要原料，吐溫-80（Tw-80）作分散劑，采用加超聲波的沉淀法制備出針形和準球形混合的納米β-Ni(OH)2，將制備的納米粉體以8%比例摻入到生產(chǎn)用微米級球鎳中制成復合鎳正極，LaNi5合金制成電池負極，研究了Tw-80比例對納米粉體振實密度及其復合鎳正極放電性能的影響。結果表明：振實密度和放電比容量均隨Tw-80用量增加先增大后減小；復合鎳電極放電平臺比純球鎳電極高；Tw-80用量為2%制備的納米粉體以8%的比例與球鎳混合時，其復合鎳電極的放電比容量最大，達到256.7mAh/g，比純球鎳電極的放電比容量（230.7 mAh/g）高出11.3%，壽命也比后者有一定延長。 關鍵詞：納米β- Ni(OH)2，超聲波沉淀法，吐溫-80，振實密度，復合鎳電極，放電比容量
- 詳細介紹：
- 我國正在大力推進新能源戰(zhàn)略，作為綠色環(huán)保電池的鎳氫電池在動力電源方面具有廣泛的應用。氫氧化鎳是鎳氫電池正極材料，納米氫氧化鎳因其高活性將對鎳氫電池容量產(chǎn)生重要影響。本作品研究納米Ni(OH)2 的制備工藝,并用制備的納米粉體應用于提高鎳氫電池的性能，因此作品具有重大實際意義。 摘要:以硝酸鎳和氫氧化鈉為主要原料，以吐溫-80（Tw-80）作分散劑，用超聲波沉淀法制備出針形和準球形混合的納米β-Ni(OH)2，將制備的納米粉體以8%比例摻入到生產(chǎn)用微米級球鎳中制成復合鎳電極作正極，LaNi5合金制成電池負極，研究了Tw-80比例對納米粉體振實密度及其復合鎳電極放電性能的影響。結果表明：振實密度和放電比容量均隨Tw-80用量增加先增大后減?。粡秃湘囯姌O放電平臺比純球鎳電極高；Tw-80用量為2%制備的納米粉體以8%的比例與球鎳混合時，其復合鎳電極的放電比容量最大，達到256.7mAh/g，比純球鎳電極的放電比容量（230.7 mAh/g）高出11.3%，壽命也比后者有一定延長。 獨特之處： 本作品內(nèi)容已申請國家發(fā)明專利（受理號：200910038501.8），具有兩大特點：①在常規(guī)的沉淀法基礎上加入了超聲波，使整個反應過程都在超聲波振動環(huán)境中進行，因此制得的納米粉體比沉淀法分散性好，活性高。②制得的納米β- Ni(OH)2是針形和準球形的混合顆粒，這種混合顆粒摻入到微米級球鎳中制成復合電極，一方面由于納米β- Ni(OH)2高的活性，另一方面由于針狀顆粒較大的長徑比，能在泡沫鎳基體中形成有效的網(wǎng)格，使得電極在充放電過程中不易掉粉，從而使復合電極放電比容量比生產(chǎn)用純球鎳電極提高了11.3%，這個結果達到同類研究中較高的水平。本作品研究思路、做法及結果對鎳氫電池生產(chǎn)廠家都有重要參考價值和實際意義。 發(fā)表的文章： [1] Tw-80對納米Ni（OH）2振實密度及其復合電極放電容量的影響[J].《稀有金屬材料與工 程》（SCI收錄期刊），2009，38（6）：1108-1111. [2] 氫氧化鎳的制備方法與應用[J].《礦冶工程》（EI收錄期刊），2008，28(6)：246-250. [3] pH值和表面活性劑對納米氫氧化鎳堆積密度的影響[J].《中國有色冶金》（中文核心期 刊），2008，48(3)：22-24. 獲得的獎勵： 本作品獲得學校2008年“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽特等獎和第十屆“挑戰(zhàn)杯” 廣東省大學生課外學術科技作品競賽二等獎. 專利申請： 2009年4月申請了中國發(fā)明專利:一種納米氫氧化鎳及其復合電極的制備方法和用途[P],受理 號：200910038501.8. 課題來源： 1 廣州市科技計劃項目“提高MH-Ni電池正極材料Ni(OH)2放電容量的關鍵技術研究”（No.2008J1-C161）; 2 學校大學生課外學術科技活動立項資助項目“電池正極材料氫氧化鎳的制備與X射線衍射測試分析”（2007）.
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 研究目的是制備出高性能納米氫氧化鎳,并應用于提高鎳氫電池的容量。撰寫目的是通過作品撰寫,將得到的優(yōu)化工藝展現(xiàn)出來與大家探討,通過互相交流學習共同推進綠色電池工業(yè)的快速發(fā)展。基本思路是針對目前納米粉體普遍存在易團聚現(xiàn)象,本課題對通常的沉淀法進行改進,加入超聲波振動,從而制得分散好、活性高的納米Ni(OH)2,將其摻入到生產(chǎn)用球鎳中制成復合電極,使復合電極放電比容量比純球鎳電極有較大提高。
科學性、先進性及獨特之處
- 作品內(nèi)容已申請中國發(fā)明專利(No.200910038501.8),特點一是在通常的沉淀法上加入超聲波,使整個反應過程都在超聲波振動中進行,利用超聲波和分散劑的雙重分散作用,使制得的納米粉體比沉淀法分散性好,活性高;特點二是制得針形和球形混合的納米顆粒,將其摻入到球鎳中制成復合電極,集納米顆粒的高活性和針狀顆粒能在基體中形成網(wǎng)格而不易掉粉的優(yōu)點,使復合電極放電比容量比純球鎳電極高出11.3%。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 課題研究納米氫氧化鎳的制備工藝,并用制備的納米粉體應用于提高鎳氫電池性能具有重大意義： 首先,鎳氫電池是綠色環(huán)保電池,研究并提高其性能具有明顯環(huán)保意義和社會意義。 其次,實驗通過加超聲波提高納米粉體性能,并用制備的納米粉體以8%摻入到生產(chǎn)用球鎳中制成復合電極,使其放電比容量比純球鎳電極高出11.3%,其研究思路和方法值得鎳氫電池生產(chǎn)企業(yè)借鑒和推廣,并有望取得較好的經(jīng)濟效益。
學術論文摘要
- 我國正在大力推進新能源戰(zhàn)略,作為綠色環(huán)保電池的鎳氫電池在動力電源方面具有廣泛的應用。氫氧化鎳是鎳氫電池正極材料,納米氫氧化鎳因其高活性將對鎳氫電池容量產(chǎn)生重要影響。本課題研究納米氫氧化鎳的制備工藝,并將制備的納米粉體應用于提高鎳氫電池的性能,因此本研究具有重大意義,其作品內(nèi)容已于2009年申請中國發(fā)明專利。 本文以硝酸鎳和氫氧化鈉為主要原料，吐溫-80作分散劑,采用加超聲波的沉淀法制備出準球形和針形混合的納米β-Ni(OH)2,將制備的納米粉體以8%比例摻入到生產(chǎn)用微米級球鎳中制成復合鎳正極,LaNi5合金制成電池負極,研究了吐溫-80比例對納米粉體振實密度及其復合鎳正極放電性能的影響。結果表明：振實密度和放電比容量均隨吐溫-80用量增加先增大后減小;復合鎳電極放電平臺比純球鎳電極高;吐溫-80用量為2%制備的納米粉體以8%的比例與球鎳混合時，其復合鎳電極的放電比容量最大,達到256.7mAh/g,比純球鎳電極的放電比容量高出11.3%，壽命也比后者有一定延長。 關鍵詞：納米β-Ni(OH)2,超聲波沉淀法,吐溫-80,復合鎳電極,放電比容量,振實密度
獲獎情況
- ① 發(fā)表的論文： [1] "Tw-80對納米Ni（OH）2振實密度及其復合電極放電容量的影響"在《稀有金屬材料與工程》（SCI收錄期刊）上發(fā)表，2009，38（6）：1108-1111. [2] "氫氧化鎳的制備方法與應用"在《礦冶工程》（EI收錄期刊）上發(fā)表，2008，28(6)：246-250. [3] "pH值和表面活性劑對納米氫氧化鎳堆積密度的影響"在《中國有色冶金》（中文核心期刊）上發(fā)表，2008，37(3)：22-24. ② 專利申請： 2009年4月申請了中國發(fā)明專利:"一種納米氫氧化鎳及其復合電極的制備方法和用途",申請受理號：200910038501.8. ③ 獲得的獎勵： 本作品獲得學校2008年“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽特等獎和第十屆“挑戰(zhàn)杯”廣東省大學生課外學術科技作品競賽二等獎
鑒定結果
- XRD、TEM及電池性能測試表明(見附件):樣品為β相氫氧化鎳;球形和針形納米顆粒混合體，尺寸為15-50nm;復合電極放電比容量比純球鎳電極高11.3%。
參考文獻
- 研究顯示，鎳氫電池容量受正極材料限制[1，2]，鎳正極核心組分氫氧化鎳（Ni（OH）2）顆粒性能的提高是決定鎳氫電池整體性能的關鍵[3]，納米氫氧化鎳比普通生產(chǎn)用球鎳具有更優(yōu)異的電催化活性、高的放電平臺與高的電化學比容量[4-7]。 天津大學劉元剛等[3]研究了大小尺寸Ni（OH）2顆?；旌系逆囌龢O充放電性能，當小顆粒以3%的比例摻入時，比容量比大顆粒電極提高約20mAh/g（或提高約7.7%）；哈爾濱工業(yè)大學趙力等[8]以吐溫-80作表面活性劑（添加量為10ml/L）制得直徑為30-60nm的β-Ni（OH）2，將其以8%比例摻入到球鎳中制成鎳電極，使電極的氫氧化鎳利用率提高了10%；但河北工業(yè)大學董琪等[9]研究表明，采用吐溫-80作表面活性劑雖然能使Ni（OH）2晶體顆粒粒徑減小，但對其電極的電化學性能影響不大。針對以上趙、董的研究結果，本課題也選用吐溫-80作分散劑，并采用加超聲波的沉淀法制備出分散好、活性高的納米Ni（OH）2粉體，將其以8%的比例摻入到生產(chǎn)用球鎳中制成復合電極，其復合電極放電比容量比純球鎳電極高出11.3%。因此，本研究結果已達到同類研究中較高水平。主要參考文獻: [1] 陳軍,陶占良.鎳氫二次電池[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006年4月第一版:176-177． [2] 張倩,徐艷輝,王曉琳等.稀有金屬材料與工程，2005，34（11）：1823-1826． [3] 劉元剛,唐致遠,徐強等.中國有色金屬學報,2005,15(9）:1426-1430. [4] 韓喜江,謝小美,徐崇泉等. 無機化學學報, 2003,19(3):247-251. [5] Zhou H B, Zhou Z T. Solid State Ionics, 2005,176:1909-1914. [6] Guan X Y,Deng J C. Material Letters,2007,61: 621-625. [7] Liu X H, Lan Y. Journal of Power Sources, 2004,128:326-330. [8] 趙力,周德瑞,張翠芬.化學通報,2001,64(8):513-515. [9] 董琪,韓恩山,閏艷波.化學世界,2007,48(3):189-191.
同類課題研究水平概述
- 研究納米氫氧化鎳的制備方法始于20世紀末，到如今科學家們已經(jīng)研制出多種方法，如固相沉淀轉化法、配位沉淀法、均相沉淀法和球磨法等。沉淀法是制備納米氫氧化鎳的主要方法，該方法以難溶化合物溶度積的差異作為反應動力，通過改變沉淀劑以及沉淀劑濃度、控制轉化溫度等方法控制轉化速度，從而達到控制顆粒生長的目的。球磨法雖然工藝簡單，易于工業(yè)化放大，但不易制得顆粒均勻的納米粉體。以上兩類方法的共同缺點是制備的納米粉體易團聚，活性不夠高，降低了納米材料應有的效能。 總的來說，納米氫氧化鎳研究的時間較短，至今還沒有實際應用于電池生產(chǎn)中,主要原因是目前生產(chǎn)制備的納米氫氧化鎳存在以下缺點：①分散性差，易團聚；②納米晶粒的大小、形態(tài)及內(nèi)部結構沒有優(yōu)化；③納米粒子和導電劑粒子的大小比例不匹配；④納米氫氧化鎳堆積密度低；⑤ 納米晶粒間的電阻較大。 針對以上缺點，研究者們采取各種不同手段加以克服或改善。如天津大學劉元剛等針對以上④、⑤條采取大小顆?；旌现瞥涉囯姌O，使電極放電容量比純大顆粒電極提高約20mAh/g（即提高約7.7%）；針對①條，哈爾濱工業(yè)大學趙力等選用吐溫-80作表面活性劑制得直徑為30-60nm的氫氧化鎳，將其以8%比例摻入到球鎳中制成鎳電極，使電極的氫氧化鎳利用率提高了10%；但河北工業(yè)大學董琪等研究表明，采用吐溫-80作表面活性劑雖然能夠使氫氧化鎳晶體顆粒粒徑減小，但對其電極的電化學性能影響不大。 本課題在上述研究背景下設計了如下研究思路： 1、也用吐溫-80作分散劑制取納米氫氧化鎳粉體，再將粉體以一定比例摻入到生產(chǎn)用球鎳中制成復合鎳電極并測試其容量，看看這種分散劑對電極的放電比容量究竟有沒有影響。 2、采用加超聲波的沉淀法制備納米氫氧化鎳，使整個反應過程都在超聲波振動環(huán)境中進行，目的是利用超聲波的分散功能與分散劑協(xié)同作用使納米粉體得到較好分散而不易團聚，且通過超聲波振動作用達到顆粒結構致密，粒度均勻，以期克服或改善上述①、②的缺點。 本課題研究結果如下：采用超聲波沉淀法制得了準球形和針形混合的納米氫氧化鎳，其粉體分散性好、活性高;吐溫-80對鎳電極放電性能有影響,吐溫-80用量為2%制備的納米粉體以8%的比例與球鎳混合制成復合電極，其放電比容量比純球鎳電極高出11.3%?？梢?本研究結果已達到同類研究的較高水平.
