储氢合金和非晶硅在质子型离子液体电解质中的电化学储氢行为研究

摘要

Ni-MH电池虽具有优良的功率特性、单位体积能量密度和安全性，但因开路电压受限于水系电解质较窄的电化学窗口（水分解理论电压1.23V），使其能量密度相对锂离子电池较低，同时储氢合金电极在碱性电解液KOH中的循环稳定性较差。因此，寻找一种具有较宽电化学窗口和腐蚀性小的新型电解质以及与之匹配的高容量电极材料是解决上述问题的有效途径，对发展高能量密度镍氢电池具有重要的意义。本文以1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体（EMIMAc）与醋酸混合的质子型电解质替代了传统镍氢电池中的KOH电解液，研究了A2B7型储氢合金、镀钯改性合金及非晶硅分别作为负极材料在质子型离子液体电解质中的电化学储氢行为。研究结果如下： （1）所选质子型离子液体电解质具有良好的热稳定性，其初始热分解温度为210℃；加入醋酸能够降低该离子液体的粘度和增加其电导率，温度升高，电解质粘度迅速下降，电导率显著增大。 （2）当混合电解质浓度为4M时，A2B7型合金电极具有最大放电容量26.6mAh/g，合金电极反应后电极表面出现腐蚀性坑洞且坑洞内出现线状物；合金电极镀钯改性后其最大放电容量为23.2mAh/g，采用湿法制备的合金电极片活化过程较慢，最大放电容量为21.5mAh/g。通过镀钯以及改变电极制备方法均对提升合金电极的电化学性能收效甚微。 （3）以Li13Si4合金为原料采用化学去锂化法制备了具有层状结构的非晶硅（a-Si）粉体并对a-Si进行球磨改性，研究了改性前后a-Si在H2中的氢化行为以及氢化处理对a-Si电极在质子传导离子液体中的电化学储氢性能影响。研究结果表明，球磨能明显减小a-Si粉体的颗粒尺寸，但易引入Fe、Cr金属杂质并形成Fe2Si与CrSi2。氢化时a-Si逐渐发生晶化，当氢化时间≥8h时，a-Si基本完全晶化。球磨改性有助于增加a-Si的初始吸氢量，随氢化时间延长，a-Si的吸氢量逐渐增大，其中未球磨氢化2h、经球磨和氢化2h、5h、8h和58h后的a-Si吸氢量分别达0.36wt.%、0.38wt.%、0.76wt.%、0.91wt.%和3.8wt.%，但后期吸氢速率均比较缓慢。a-Si电极在质子型离子液体中具有电化学吸放氢反应活性，但其放电容量偏低（42~163mAh/g），其中球磨和氢化8h的a-Si经20次充放电后具有最大放电容量163mAh/g。球磨改性和适当的氢化处理（8h）有利于提高a-Si电极的放电容量。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2镍氢电池的发展现状

1.3镍氢电池的基本工作原理

1.4传统Ni-MH电池中储氢合金电极失效机制

1.5离子液体电解质

1.5.1离子液体的定义及特点

1.5.2离子液体的分类

1.5.3离子液体的发展及研究现状

1.6非晶硅材料的发展及研究现状

1.6.1非晶硅的结构

1.6.2氢化非晶硅材料的研究现状

1.7本文的课题意义及研究内容

第2章 实验材料和实验方法

2.1主要实验材料

2.2样品制备

2.2.1合金的制备

2.2.2 钯膜的制备

2.2.3 粉体非晶硅的制备

2.2.4 非晶硅的氢化

2.3.1 X射线衍射

2.3.2扫描电子显微镜

2.3.3透射电子显微镜

2.3.4 X射线光电子能谱

2.3.5拉曼光谱衍射技术

2.3.6傅立叶变换红外光谱

2.3.7 热分析

2.3.8 激光粒度分析

2.4.1电解液的配置

2.4.2合金电极的制备

2.4.3非晶硅电极的制备

2.4.4电池的组装

2.4.5充放电循环性能测试

2.4.6循环伏安测试

第3章 离子液体电解质的性能表征

3.1离子液体的结构

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.3.1离子液体的水份含量

3.3.2热稳定性分析

3.3.3粘度分析

3.3.4电导率分析

3.3.5质子传导机制

3.4本章小结

第4章 合金在离子液体电解质中的电化学性能

4.1.1合金电极的充放电测试

4.1.2合金电极的循环稳定性

4.1.3合金电极的循环伏安特性

4.1.4合金电极的SEM表征

4.2 镀钯A2B7合金电极在离子液体电解质中的电化学性能

4.2.1钯膜电极结构与成分分析

4.2.2钯膜电极的电化学性能

4.2.3镀钯合金电极的电化学性能

4.2.4镀钯合金电极的SEM表征

4.3 湿法A2B7合金电极在离子液体电解质中的电化学性能

4.4 本章小结

第5章 非晶硅在离子液体电解质中的电化学性能

5.1非晶硅的组织结构及电化学性能

5.1.1非晶硅的结构成分分析

5.1.2非晶硅的表面形貌及粒度分析

5.1.3非晶硅的热稳定性

5.1.4非晶硅的电化学性能

5.2不同处理后非晶硅的组织结构及电化学性能

5.2.1不同处理后非晶硅的结构与成分分析

5.2.2不同处理后非晶硅的表面形貌及粒度分析

5.2.3不同处理后非晶硅的电化学性能

5.3非晶硅氢化处理后的组织结构及电化学性能

5.3.1非晶硅的气体氢化行为

5.3.2非晶硅氢化处理后的结构分析

5.3.3非晶硅氢化处理后的表面形貌及粒度分析

5.3.4非晶硅氢化处理后的电化学性能

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录