钙掺杂层状氢氧化物[NiAl(OH)]OH的电化学特性

摘要

镍氢电池（Ni/MH）由于其具有高比容量和比功率以及环保性等优良的性能而备受人们的关注，并成为世界各国二次电池发展的热点之一。作为潜在的正极材料，Al代α-Ni（OH）2因具有良好的性能而备受人们关注。本文是在实验室已研究的[Ni4Al（OH）10]OH基础上，通过化学共沉淀、表面化学沉积Ca2+以及物理混合掺杂不同钙系化合物来研究[Ni4Al（OH）10]OH的电化学性能，特别是不同温度下的电化学性能。 首先，通过化学共沉淀-水热处理法得到不同钙含量的[Ni4Al（OH）10]OH样品，实验结果表明该系列样品具有类α-Ni（OH）2的晶体结构，且经过180℃水热处理的样品结晶性更好；[Ni4Al（OH）10]OH样品中掺杂的Ca2+含量较少，这主要是由Ca（OH）2溶解度较大引起的；在不同温度下的充放电循环、循环伏安和阻抗研究表明：和未掺杂的[Ni4Al（OH）10]OH相比，该系列样品中，以化学组成为[Ni3.93Al（OH）9.86]OH·0.08Ca（OH）2·6.7H2O样品表现出的电化学性能最佳：在800 mA·g-1充电、400 mA·g-1放电，经过160次循环测试后仍具有较高的放电容量（321 mAh·g-1）；当在电流密度为2000 mA·g-1下放电时，该样品和[Ni4Al（OH）10]OH的放电容量均可达到303 mAh·g-1；在高温65℃下测试时，该组成样品放电容量衰减速率较小，整体放电容量高出[Ni4Al（OH）10]OH20 mAh·g-1，具有较好的循环稳定性。 其次，通过表面化学沉积法合成不同钙含量的[Ni4Al（OH）10]OH·xCa（OH）2样品，实验结果表明该系列样品也保持了类α-Ni（OH）2的晶体结构，但随着沉淀Ca（OH）2量的增加，开始出现Ca（OH）2的特征峰。电化学性能测试结果表明，表面沉积一定量的Ca（OH）2可以提高[Ni4Al（OH）10]OH样品的单个镍原子的电子交换数（NEE），亦可降低不同温度下样品的放电容量衰减速率，改善其电化学循环稳定性。其中以化学组成为[Ni3.85Al（OH）9.7]OH·0.5Ca（OH）2·5H2O样品的电化学性能最好。20℃和65℃时可提高0.1个NEE，40℃时可提高0.2个NEE，当工作温度为40℃时，经过160次循环的该样品仍具有300mAh·g-1的高放电容量。 第三，在样品[Ni4Al（OH）10]OH中通过物理混合掺杂不同含量、不同化合物如Ca（OH）2、CaCO3和CaF2，结果表明可以在一定程度上提高A样品的放电容量，从而提高活性物质的利用率，增加放电深度；其次，可以降低放电容量的衰减速率，提高活性物质的循环寿命。物理掺杂适量的Ca（OH）2或CaCO3（分别以质量百分比10％和2％为最佳比例），可以提高[Ni4Al（OH）10]OH样品低温放电容量40 mAh·g-1，高温放电容量20 mAh·g-1，增加电化学循环可逆性。物理掺杂适量的CaF2（5％为最佳比例）在常温25℃时可以提高样品[Ni4Al（OH）10]OH的活化速度，使得放电容量在较短时间内达到极大值；同时也可改善样品在高温和低温电化学性能以及降低其放电容量的衰减速率。 Ca（OH）2的三种不同掺杂方式对[Ni4Al（OH）10]OH电化学性能影响比较发现，以化学共沉淀-水热处理掺杂方式得到的样品[Ni3.93Al（OH）9.86]OH·0.08Ca（OH）2·6.7H2O高温电化学性能最好，如65℃时整体放电容量高出[Ni4Al（OH）10]OH样品20 mAh·g-1；以表面化学沉积掺杂方式得到的样品[Ni3.85Al（OH）9.7]OH·0.5Ca（OH）2·5.0H2O NEE最高，如40℃可提高[Ni4Al（OH）10]OH样品0.2个NEE；以物理混合掺杂方式得到的样品（混合掺杂质量百分数为10％Ca（OH））2）不同温度下充放电循环稳定性最好，如经过从-40℃～60℃不同温度下循环测试，该样品放电容量分别可恢复到93％，而[Ni4Al（OH）10]OH样品只恢复到81％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 前 言

1.1 镍氢电池及其正极材料

1.2 层状氢氧化物作为电极材料

1.2.1 层状氢氧化物概述

1.2.2 层状氢氧化物的基本结构特征

1.2.3 层状氢氧化物作为电极材料

1.3 论文研究的目的和内容

第二章 Ca掺杂的[Ni4Al(OH)10]OH电化学性能研究

2.1 实验部分

2.1.1 原料

2.1.2 样品合成

2.1.3 样品表征

2.1.4 电化学性能测试

2.2 结果与讨论

2.2.1 样品组成

2.2.2 样品的XRD表征

2.2.3 样品SEM表征

2.2.4 样品的充放电循环性能

2.2.5 样品不同温度下的充放电循环性能

2.3 结论

第三章 表面化学沉积Ca(OH)2的[NiAl(OH)10]OH电化学性能

3.1 实验部分

3.1.1 原料

3.1.2 样品合成

3.1.3 样品表征

3.1.4 电化学性能测试

3.2 结果与讨论

3.2.1 样品组成

3.2.2 样品XRD表征

3.2.3 样品SEM表征

3.2.4 电化学性能

3.3 结论

第四章 物理添加钙系化合物对[Ni4Al(OH)10]OH电化学性能的影响

4.1 实验部分

4.1.1 原料

4.1.2 样品制备

4.1.3 样品表征

4.1.4 电化学性能测试

4.2 结果与讨论

4.2.1 样品组成和XRD表征

4.2.2 样品的充放电循环性能

4.2.3 样品不同温度循环伏安测试

4.2.4 样品不同温度阻抗测试

4.3 结论

第五章 结 论

参考文献

硕士期间发表论文

作者简介

致谢