高性能镍氢组装电池及电解液对正极材料的影响

摘要

镍氢电池由于容量高、寿命长且无记忆效应被广泛应用于电动工具、混合动力汽车等方面，而层状氢氧化物Ni-Al LDHs在大电流密度下具有优良的充放电性能，有希望被应用于大功率镍氢动力电池的正极活性材料。研究表明Ni-Al LDHs在室温下结构稳定，但在强碱或高温环境中会转变成β-Ni(OH)2，导致电化学性能变差。因此，抑制材料的结构转变，提高材料的电化学高温性能对于Ni-Al LDHs的实际应用具有十分重要的意义。
　　研究发现[Ni4Al(OH)10]OH在60℃下会因为Al3+和强碱反应形成Al(OH)4-，从而造成晶格中的Al3+流失，导致Ni-Al LDHs转变为β-Ni(OH)2。因此，从热力学观点来看，若电解液中含有Al(OH)4-，则可能会抑制如上Ni-Al LDHs的转变过程。将[Ni4Al(OH)10]OH浸泡在含有Al(OH)4-的电解液25天后，XRD分析表明Ni-Al LDHs转变为β-Ni(OH)2的过程得到了一定程度的抑制。此外，恒电位极化表明电解液中含有Al(OH)4-还可以使氧逸出电位升高;在60℃下可以明显提高电极的放电比容量和循环稳定性。
　　本论文也报道了[Ni4Al(OH)10]NO3的自放电情况。研究表明，将正极材料充满电，在电解液中静置不同的时间后放电，放电容量各不相同;且静置时间越长，放电容量越小，容量衰减也就越大。这主要是由于硝酸根离子的氧化还原穿梭反应引起的自放电造成的。通过将NO3-完全用其它阴离子进行交换，比如OH-;选取磺化隔膜材料;电解液中添加NaOH等方式在一定程度上可以抑制氧化还原穿梭反应引起的自放电行为，电极容量损失减小。
　　此外，不同的添加剂及其含量对[Ni4Al(OH)10]OH的放电比容量影响很大，因此，研究[Ni4Al(OH)10]OH与添加剂的最佳比例对于实际应用具有重要意义。本文使用单纯形重心设计的方法得到了正极材料放电性能最佳配方:60％的[Ni4Al(OH)10]OH、25％的[Co4Al(OH)10]2CO3以及15％的导电石墨。同时对充放电制度进行了优化，使模型电池的大电流充放电性能得到了大大的提高。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 镍氢电池概述

1．2 Ni(OH)2的掺杂现状

1．3 α-Ni(OH)2的研究展望

1．4 层状氢氧化物用作电极材料

1．4．1 Ni-Al LDH作为电极材料

1．4．2 Co-Al作为电极材料

1．4．3 Ni-Co-Al作为电极材料

1．5 镍氢电池正极高温性能的改进与发展

1．6 电解液对镍氢电池正极性能的影响

1．7 隔膜对镍氢电池正极性能的影响

1．8 选题的目的与意义

第二章 电解液添加Al(OH)3对正极材料的电化学高温性能影响

2．1 实验部分

2．1．1 原料

2．1．2 共沉淀水热法制备[Ni4Al(OH)10]NO3

2．1．3 离子交换法制备[Ni4Al(OH)10]OH

2．1．4 尿素共沉淀法制备[Co4Al(OH)10]2CO3

2．1．5 电解液的制备

2．1．6 样品表征

2．1．7 样品的稳定性测试

2．1．8 电化学性能测试

2．2 结果与讨论

2．2．1 样品XRD表征

2．2．2 电极的高温充放电性能

2．2．3 恒电位极化的研究

2．2．4 电解液中添加Al(OH)3对正极材料的常温性能影响

2．3 本章小结

第三章 [Ni4Al(OH)10]NO3电极的自放电行为

3．1 实验部分

3．1．1 原料

3．1．2 样品制备

3．1．3 电解液的配制

3．1．4 电化学性能测试

3．2 结果与讨论

3．2．1 [Ni4Al(OH)10]NO3自放电的情况

3．2．2 电解液对自放电的影响

3．2．3 隔膜对自放电的影响

3．3 本章小结

第四章 镍氢模型组装电池的电化学性能研究

4．1 实验部分

4．1．1 原料

4．1．2 样品的制备

4．1．3 负极材料的制备

4．1．4 模型电池的制备

4．1．5 电化学性能测试

4．1．6 单纯形重心法研究电极最佳配方

4．2 结果与讨论

4．2．1 电池c的配方试验

4．2．2 电池c与d的电化学性能比较

4．2．3 负极片a与b组装成电池的电化学性能比较

4．2．4 不同充放电电流密度下的电化学性能

4．3 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表文章

致谢