复合添加二元阴阳离子非晶态Ni(OH)的制备及电化学性能研究

摘要

本文全面综述了氢氧化镍电极材料的研究现状。基于具有特殊的微结构和异常的物理化学性能的非晶态材料以及二元功能性阴阳离子的协同作用，以复合添加二元阴阳离子的非晶态氢氧化镍电极活性材料为研究目标，系统研究了其制备合成工艺条件，微结构特性与电化学效应作用及性能，同时讨论了相应的电化学作用机理。 通过正交实验得出快速冷冻沉淀法制备添加PO43-的非晶态氢氧化镍优化工艺条件是：反应时间3h，反应温度55℃，pH值为12，添加PO43-的含量为5wt％，表面活性剂选择Tween80。通过极差分析得出，各合成条件对氢氧化镍电化学性能影响的顺序依次为：反应温度、pH值、PO43-的含量、表面活性剂、反应时间，并进一步讨论了三个显著因素的影响。与纯非晶态Ni(OH)2样品粉体相比，添加PO43-的非晶态氢氧化镍阴离子的红外吸收峰峰强更明显；样品材料中含有更多的水分子，具有较多的结构缺陷，无序性强以及热稳定性高。对比相同测试条件下添加PO43-的非晶态氢氧化镍与纯非晶态氢氧化镍的电化学性能，发现添加PO43-的非晶态氢氧化镍具有较高的放电中值电压(1.25V)，有利于提高电极反应的可逆性，抑制析氧反应，提高电极充电效率。 在优化工艺条件下分别制备复合添加Mg+和PO43-非晶态氢氧化镍粉体以及复合添加Fe3+和CO32-非晶态氢氧化镍粉体，并对其结构和性能进行测试，结果表明：引入了二元阴阳离子添加剂的样品非晶化程度增强，粉体由不规则颗粒构成，与纯非晶态氢氧化镍相比，其结构缺陷增多，无序性增强，含水量增多，并且吸附了更多的阴离子。发现添加5wt％的PO43-和2wt％的Mg2+的非晶态Ni(OH)2电极材料具有较高的电化学活性，电化学性能显著增强；放电比容量和放电中值电压较高，分别为347.6mAh·g-1、1.291V；充放电循环50次后，容量衰减3.5％；质子扩散系数为9.22×10-10c㎡·s-1。添加8wt％的Fe3+和2wt％的CO32-的非晶态Ni(OH)2放电比容量达到361.5mAh·g-1；充放电循环50次后，容量衰减3.02％；质子扩散系数为4.63×10-9c㎡·s-1；在不同DOD下，Rs和Rct变化较小，交流阻抗特性较好；发现添加适量的Fe3+和CO32-可以有效抑制析氧反应，增强电极反应的可逆性，并且显著改善其活化性能；同时Fe3+和CO32-改善非晶态Ni(OH)2的质子扩散行为的能力要优于Mg2+和PO43-。研究分析复合添加Mg2+和PO43-以及Fe3+和CO32-对非晶态Ni(OH)2电化学性能的影响及作用效应，发现复合添加适当的阴阳离子样品材料的微结构，由于更容易形成质子和电子缺陷，以及破坏其原有电荷平衡和有序性，从而使其在充放电过程中非晶态结构的稳定性增强，并且有较高的电化学反应活性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2 MH/Ni电池的研究进展与前景展望

1.2.1 MH/Ni电池工作原理

1.2.2 MH/Ni电池的历史与研究现状

1.2.3 MH/Ni电池的发展前景

1.3镍电极工作原理及发展现状

1.3.1镍电极的工作原理

1.3.2镍电极的充放电特性

1.3.3镍电极的发展现状

1.4氢氧化镍的研究现状及发展前景

1.4.1 Ni(OH)2的晶型与结构特征

1.4.2氢氧化镍的研究现状

1.4.3氢氧化镍的制备方法

1.4.4添加剂对氢氧化镍的影响

1.5论文选题的理论依据及研究的主要内容

1.6论文的主要创新点

第二章实验研究及测试方法

2.1实验研究方法

2.1.1掺杂非晶态氢氧化镍粉体材料及其样品的制备方法

2.1.2镍电极材料的制备及MH-Ni模拟电池的组装

2.1.3主要实验试剂和仪器

2.2粉体材料结构及物理性能的测试方法

2.2.1 X射线衍射(XRD)分析

2.2.2 X射线能谱(EDS)分析

2.2.3红外光谱(IR)分析

2.2.4差热(DSC)及热重(TG)分析

2.3样品电极的电化学性能测试

2.3.1充放电性能测试

2.3.2样品材料循环性能测试及动力学研究

2.3.3交流阻抗测试

2.4样品制备及其结构与性能测试工艺流程

第三章添加PO3-4对非晶态Ni(OH)2制备条件及性能影响研究

3.1添加PO3-4的非晶态Ni(OH)2的制备工艺

3.1.1制备工艺的影响因素选择

3.1.2正交实验优化设计

3.1.3制备工艺显著因素的单因素研究

3.2添加PO3-4非晶态Ni(OH)2的微结构特征

3.2.1添加PO3-4的非晶态Ni(OH)2样品的X射线衍射特征分析(XRD)

3.2.2添加PO3-4的非晶态Ni(OH)2样品的选区电子衍射分析(SAED)

3.2.3添加PO3-4的非晶态Ni(OH)2样品的形态分析(SEM)

3.2.4添加PO3-4的非晶态Ni(OH)2样品的X射线能谱分析(EDS)

3.2.5添加PO3-4的非晶态Ni(OH)2样品的精细结构分析(IR)

3.2.6添加PO3-4的非晶态Ni(OH)2样品的热分析测试(TG-DSC)

3.3添加PO3-4的非晶态Ni(OH)2的电化学性能及其效应作用

3.3.1添加PO3-4的非晶态Ni(OH)2电极的充放电性能及其电化学效应作用

3.3.2添加PO3-4的非晶态Ni(OH)2电极循环和活化性能及其电化学效应作用

3.3.3添加PO3-4的非晶态Ni(OH)2电极交流阻抗特性及其电化学效应作用

3.4添加PO3-4的非晶态Ni(OH)2的质子扩散特性

3.5本章小结

第四章复合添加Mg2+和PO3-4对非晶态氢氧化镍电化学性能的影响

4.1实验部分

4.2复合添加Mg2+和PO3-4非晶态Ni(OH)2的微结构特征

4.2.1复合添加Mg2+和PO3-4非晶态Ni(OH)2样品粉体的X射线衍射分析(XRD)

4.2.2复合添加Mg2+和PO3-4非晶态Ni(OH)2样品材料的选区电子衍射分析(SAED)

4.2.3复合添加Mg2+和PO3-4非晶态Ni(OH)2样品材料的形态分析(SEM)

4.2.4复合添加Mg2+和PO3-4非晶态Ni(OH)2样品材料的X射线能谱分析(EDS)

4.2.5复合添加Mg2+和PO3-4非晶态Ni(OH)2样品材料的精细结构分析(IR)

4.2.6复合添加Mg2+和PO3-4非晶态Ni(OH)2样品材料的热分析(TG-DSC)

4.3复合添加Mg2+和PO3-4非晶态Ni(OH)2的电化学性能

4.3.1复合添加Mg2+和PO3-4非晶态Ni(OH)2电极的充放电性能

4.3.2复合添加Mg2+和PO3-4非晶态Ni(OH)2电极对其循环性能的影响

4.3.3复合添加Mg2+和PO3-4非晶态Ni(OH)2电极对其交流阻抗特性的影响

4.3.4复合添加Mg2+和PO3-4非晶态Ni(OH)2电极的活化性能

4.3.5复合添加Mg2+和PO3-4非晶态Ni(OH)2电极材料的质子扩散特性

4.4复合添加Mg2+和PO3-4对非晶态Ni(OH)2电化学性能影响的机理分析

4.5本章小结

第五章复合添加Fe3+和CO2-3对非晶态氢氧化镍电化学性能的影响

5.1实验部分

5.2复合添加Fe3+和CO2-3非晶态Ni(OH)2的微结构特征

5.2.1样品的X射线衍射分析(XRD)和选区电子衍射分析(SAED)

5.2.2复合添加Fe3+和CO2-3非晶态Ni(OH)2样品材料的形态分析(SEM)

5.2.3复合添加Fe3+和CO2-3非晶态Ni(OH)2样品的X射线能谱分析(EDS)

5.2.4复合添加Fe3+和CO2-3非晶态Ni(OH)2样品的精细结构分析(IR)

5.2.5复合添加Fe3+和CO2-3非晶态Ni(OH)2样品的热分析测试(TG-DSC)

5.3复合添加Fe3+和CO2-3的非晶态Ni(OH)2电化学性能及其效应作用

5.3.1复合添加Fe3+和CO2-3非晶态Ni(OH)2电极对其充放电性能的影响

5.3.2复合添加Fe3+和CO2-3非晶态Ni(OH)2电极对其循环性能的影响

5.3.3复合添加Fe3+和CO2-3非晶态Ni(OH)2电极交流阻抗特性

5.3.4复合添加Fe3+和CO2-3非晶态Ni(OH)2电极的活化性能

5.3.5复合添加Fe3+和CO2-3非晶态Ni(OH)2的质子扩散特性

5.4本章小结

第六章结论

致谢

参考文献

攻读硕士研究生阶段取得的学术成果

个人简历