基本信息
- 项目名称：
- 二元物质复合掺杂非晶态氢氧化镍电极材料的性能研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 作品从非晶态材料角度出发，构建了稀土和金属离子二元物质复合掺杂非晶态氢氧化镍粉体材料的制备方法，同时较为系统地研究了其微结构特征、电化学性能和相应的电化学效应作用。研究结果发现，以4%Y(Ⅲ)和16%Al(Ⅲ)复合掺杂制备的非晶态氢氧化镍材料的微结构无序性强，质子缺陷较多，并含有较多结晶水。将样品粉体合成镍电极材料并组装成MH-Ni模拟电池，其导电性能较好，在一定的充放电制度下，其放电比容量高达352mAh/g，且在电极过程中材料循环可逆性较好，结构稳定，质子扩散速度快，表现出比目前MH-Ni电池生产应用的β-Ni(OH)2较高的电化学活性及性能。
- 详细介绍：
- 在镍系列电池中，MH-Ni电池因具有较高的比能量、低温性能好、可快速充放电、耐过充放能力强、无明显的记忆效应及不存在重金属镉、汞对环境的污染等突出优点，在通讯设备、便携式电器、动力电源有着广泛的应用，而且在电动汽车领域也展现出巨大的应用市场前景，其研究开发倍受人们的关注。然而，在目前氢镍电池所应用的正极活性材料β-Ni(OH)2存在比容量较低和α-Ni(OH)2虽比容量高，但在碱性电解液中极不稳定的问题与困境。MH-Ni电池性能的改善，其关键是氢氧化镍为活性物质的正极材料性能的提高。非晶态材料是一种热力学亚稳态材料，在原子排列上呈现长程无序而短程有序的结构，含有很多配位不饱和原子，富于反应活性，表现出不同于晶态材料的许多特殊物理、化学性质，同时考虑到稀土物质具有独特的电子组态和4f电子运动特性以及功能性金属离子的强电化学活性作用，作品采用快速冷冻共沉淀法在55℃下搅拌反应时间2h，反应pH值控制在10.6-11.0，干燥温度为80℃的工艺条件下制备出稀土Y(Ⅲ)与金属阳离子Al(Ⅲ)复合掺杂非晶态氢氧化镍粉体材料。经采用XRD、SAED、SEM、EDS、Raman、TG及DTG和DSC对样品材料的微结构及形貌进行表征分析以及利用电化学工作站测试其电化学性能，结果发现：复合掺杂4%Y(Ⅲ)16%Al(Ⅲ)的非晶态Ni(OH)2具有较多的微结构缺陷，而且无序度较大，并含有较多结晶水。将其作为镍正极活性物质并组装成MH-Ni电池，在0.2C恒电流充电6h，0.2C恒电流放电，终止电压为1.0V的充放电制度下其放电比容量可达352mAh/g，放电中值电压为1.3364V，而且放电平台较平稳；同时具有较低的电荷转移电阻0.6764ohm和溶液电阻0.1922ohm，质子扩散系数较大，为1.32×10-9cm2/s。同时复合掺杂4%Y(Ⅲ)16%Al(Ⅲ)样品电极在充放电过程中经4次充放电活化就能获得最大值放电比容量，活化速度快；经30次充放电循环后非晶态的Ni(OH)2微结构仍保持不变，放电比容量衰减率为1.86%，电极过程材料的循环可逆性能较好，表现出比β-Ni(OH)2和α-Ni(OH)2较高的电化学活性，可望于实际开发应用。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：通过课题的研究，旨在为开发新型化学电源电极活性材料研制新途径及提供有学术价值的理论依据。 基本思路：电极性能的改善依赖电极活性材料的更新。非晶态材料无序性强并含有许多配位不饱和原子及富于反应活性，同时不存在晶态材料影响其电化学性能的晶界、位错与孪晶缺点。从非晶态材料的角度出发，研究复合掺杂非晶态氢氧化镍的制备及其作为电极材料的电化学性能，旨在开发高性能电极材料的新途径。
科学性、先进性及独特之处
- 作品从非晶态复合材料角度出发构建稀土Y（Ⅲ）和金属Al（Ⅲ）二元物质掺杂非晶态氢氧化镍复合材料的制备方法，同时较为系统地研究其结构与电化学性能及效应影响作用，内容有较强创新性，思路和方法另辟途径。
应用价值和现实意义
- 作品从具有异于晶态材料的物理及化学特性的非晶态材料研制出的稀土Y（Ⅲ）和金属Al（Ⅲ）二元掺杂非晶态氢氧化镍电极活性材料，具有比目前应用的晶态β-Ni(OH)2较高的电化学性能，同时比晶态α-Ni(OH)2较好的电极过程的稳定性，其研究工作成果具有实际应用开发的价值和前景，对于开辟化学电源电极材料研制的新途径有着重要现实和理论意义。
学术论文摘要
- 论文采用快速冷冻共沉淀法制备出Y(Ⅲ)和Al(Ⅲ)复合掺杂非晶态氢氧化镍粉体材料，并对样品材料的微结构及物理特征进行了表征分析。同时将样品材料作为镍正极材料活性物质合成电极并组装成MH-Ni模拟电池，较为系统研究其电化学性能及电化学活性效应作用，结果发现复合掺杂Y(Ⅲ)和Al(Ⅲ)非晶态Ni(OH)2样品材料内部结构缺陷较多，无序性强；掺杂4%Y(Ⅲ)16%Al(Ⅲ)的样品电极模拟电池在0.2C恒电流充电6h，0.2C恒电流放电，终止电压为1.0V的充放电制度下，其放电比容量可达352mAh/g，且在电极过程中材料循环可逆性较好，电极材料结构稳定，质子扩散迁移速度快，扩散系数为1.32×10-9 cm2/s，表现出较高的电化学活性。
获奖情况
- 作品《稀土La（Ⅲ）与Sr（Ⅱ）复合掺杂非晶态Ni(OH)2的制备及其电化学性能研究》参加某校2007-2008年大学生课外科技活动竞赛获一等奖。
鉴定结果
参考文献
- 1. Ovshinsky S R et al，Enhanced Nickel hydroxide positive electrode material for alkaline rechargeable electrochemical cells [P].USA patent：5523182，1996-06. 2. 刘长久等，电极材料非晶态氢氧化镍的电化学活性[J].稀有金属材料与工程，2006， 35(10). 3. 刘长久等，非晶态氢氧化镍材料电极理论放电容量估算[J]. 稀有金属材料与工程， 2007，36(1). 4. 尚伟等，非晶态Ni(OH)2电极材料的制备工艺[J].过程工程学报，2007，7(3).
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外氢镍电池行业普遍采用传统尺寸晶型β-Ni(OH)2作为镍正极材料的活性物质，但其在充放电过程中仅涉及到一个电子转移，其理论容量只有289mAh/g，同时其电极过程易发生膨胀。随着电子设备的小型化发展，要求电池重量和体积都需随之减少。另外，动力电源非常需求高功率的清洁化学电源，这就迫切要求氢镍电池镍电极比容量要成倍提高。显然传统的β-Ni(OH)2电极活性材料很难适应这种发展需求。近年来，国内外化学电源材料工作者经研究发现，α-Ni(OH)2在α/γ电对充电过程中，电子转移数大于1，平均每摩尔Ni原子比β-Ni(OH)2近67%的理论比容量，可达到480mAh/g，而且在过充电时不存在膨胀问题。但是，α-Ni(OH)2在强碱性溶液中极不稳定，很容易转化为β-Ni(OH)2。为了解决这个问题，国外Demourgues等研究了α-Ni(OH)2的物理、化学和电化学性质，Kamath等合成了较为稳定的Al掺杂α-Ni(OH)2，国内清华大学等单位电池工作者在制备稳定α-Ni(OH)2及其性质的研究方面也做了不少工作。尽管这些工作都取得了一定进展，但由于其取代掺杂后振实密度和比容量仍较低以及活化困难，需经反复多次充放电循环较大调整才有望趋于较稳定，从而α-Ni(OH)2至今未能用于电池工业的生产应用。因此，高比容量、高性能并与环境友好的氢氧化镍电极活性材料的研制，其应用基础还存在许多急待解决的问题，有待进一步深入研究。 研究表明，化学电源电极性能的提高依赖于电极材料的更新及对其电极过程的深刻认识。非晶材料其内部不存在晶态材料的晶界、位错、孪晶等缺陷。非晶态氢氧化镍电化学活性点不受晶体结构的限制而明显增多，表现出许多不同于晶态材料的物理、化学特殊性质，并与电极材料的电化学活性密切相关。目前对掺杂非晶态材料的微结构及其电化学活性与作用机理的研究与应用开发尚未见到除本研究课题组以外的其它报道。因此，本作品从非晶态材料的角度出发，制备高电化学活性的掺杂非晶态氢氧化镍，目的在于弄清其电化学活性的作用机理及其微结构特性对电化学性能影响的内在机制，克服目前生产应用晶态氢氧化镍存在的不足与问题和困境，开辟研制高比容量、高性能绿色电池的新途径。项目的研究对于新型环保电池的开发研制和发展我区具有丰富资源的有色金属深加工产业，具有重要的科学理论意义和实际应用价值。
