泡沫镍载Ni1-xCox(OH)2电极的制备及其电化学性能

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镍氢电池作为一种高比能量的二次电池得到了广泛的应用。作为正极的镍电极是镍氢电池的关键部件之一,其性能的改进是提高镍氢电池整体性能的有效途径。本论文采用无模板直接生长法制备纳米片结构的Ni(OH)2电极,为了提高其电化学性能,制备了Ni1-xCox(OH)2电极并通过阴离子的掺杂制备了不同形貌Ni(OH)2电极。然后利用热重-差热(TG-DTA)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(IR)等手段对其进行表征,并通过循环伏安、交流阻抗等方法测试了其电化学性能。制备泡沫镍载Ni(OH)2电极,结果表明XRD分析得出制备的活性物质是纯净的β-Ni(OH)2,属六方晶系,达到纳米级尺寸,平均晶粒尺寸为23nm。通过SEM和TEM得β-Ni(OH)2小球的直径在5μm左右,是由片层构成,每纳米片长约2μm,宽约230nm,厚约60nm,每个纳米片是由若干20nm左右纳米颗粒构成。循环伏安测试表明电极能够在析氧之前得到充分充电,Ni2+有望全部氧化成Ni3+,活性物质利用率高。交流阻抗曲线高频区半圆弧体现了电极的电荷传递电阻较小,仅为0.24。以实验制备的泡沫镍载β-Ni(OH)2为正极组成镍氢电池,室温下1C首次充放电放电比容量达280mAh·g-1;循环100次循环效率是92.2%98.5%,比容量270mAh·g-1284mAh·g-1。制备泡沫镍载Ni1-xCox(OH)2电极,XRD分析确定为纯相,SEM和EDS证明了纳米Ni1-xCox(OH)2电极其形貌均一稳定,含量分布均匀。循环伏安分析降低Ni(OH)2的氧化电位同时提高析氧过电位,进而提高充电效率,增加电极的比容量。交流阻抗测试的最小可达0.06。电极进行循环性测试100次后,掺钴量3%10%电极的放电容量均保持在250mAh·g-1以上。10%时样品的质子扩散系数最大,1C放电比容量达到279.9mAh·g-1,比未掺杂提高12%。说明Co的掺杂量对材料电化学性能有较大影响,一定量的钴掺杂能够增加材料的导电性,促进Ni(OH)2充放电反应的进行,提高高倍率充放电性能,提高Ni(OH)2的活性和利用率。制备泡沫镍载不同形貌Ni(OH)2电极,层间阴离子的不同可对镍电极的作用达到降低镍电极反应的电荷转移电阻,改善氢氧化镍的质子传导性,减小电子电阻的作用。得到制备的β-Ni(OH)2的最小晶粒尺寸为16.57nm。当插入层间的阴离子为SO42-时其放电比容量最大为243mAh·g-1,循环效率是88.9%经100循环后容量保持在229mAh·g-1,衰减到83.6%,循环寿命稳定。
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