多孔炭负载氢氧化镍复合电极研究

来源 :北京化工大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:liwenwu042
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锌镍单液流电池是一种适合规模储能的化学电源体系,该电池以氢氧化镍电极为正极,沉积/溶解型锌电极为负极,流动的碱性锌酸盐溶液为电解液。电池容量及寿命受制于镍正极,因此研究新型的高容量的镍电极具有重要的意义。本文提出了多孔炭负载氢氧化镍复合电极,通过对多孔炭制备、氢氧化镍与多孔炭的复合、氢氧化镍及多孔炭的改性等实验研究,得到创新性的结果。本文首先研究了多孔炭(MPC)的制备方法。以酚醛树脂作为碳源及粘结剂、聚乙烯醇缩丁醛等作为造孔剂、活性炭作为导电剂及支撑骨架,制备得到具有亚微米-微米结构的一体化多孔炭材料。通过单因素分析法及正交分析法,考察了活性炭及聚乙烯醇缩丁醛的添加量、树脂固化温度、碳化温度等因素对制备的多孔炭材料孔结构、机械强度及电导率的影响,探讨了多孔炭的成孔机理,优化了制备条件。以酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛和活性炭的质量比为4:2:1,且固化温度为185℃,碳化温度为1000℃的条件下制备的多孔炭材料最适合作为电极的导电基体。该条件下制备的多孔炭材料不仅具有较高的机械强度,而且具有较高的孔容(0.766mL g-1)、合适的孔径分布(0.1-5μm)及高的电导率(11.24S cm-1)。通过电化学浸渍的方法在多孔炭孔内载入氢氧化镍制备得到多孔炭-氢氧化镍(MPC-Ni(OH)2)复合电极,探索了氢氧化镍在多孔炭基内沉积机理,优化了浸渍反应条件。研究表明,在反应温度为80℃,硝酸镍溶液浓度为2mol L-1,溶液初始pH=3.5,以80mA cm-2的电流密度,在搅拌条件下恒流沉积3h,制备的MPC-Ni(OH)2复合电极具有最优的电化学性能。在该条件下制备的电极活性物质的比容量(SCAM)、电极质量比容量(SCEW)和面积比容量(SCEA)分别为259mAh g-1,136mAh g-1和24mAh cm-2。采用电化学浸渍的方法在多孔炭片中共沉积Ni、Co及Zn制备得到Ni1-x-yCoxZny(OH)2固溶体用于Ni(OH)2材料的改性,提高了沉积于炭孔中的Ni(OH)2的利用率。共沉积Co/Zn的MPC-Ni(OH)2电极的SCAM、 SCEW和SCEA分别为271mAh g-1,145mAh g-1和26mAh cm-2。探索了MPC-Ni(OH)2复合电极放电过程中电位双平台现象产生的原因,研究了多孔炭片在碱性条件下的析氧特性,通过对Ni(OH)2表层镀镍和对多孔炭片表层镀镍改性两种方法来抑制电极双平台现象的发生,提高电极的循环寿命。Ni(OH)2表层镀镍提高了活性物质与多孔炭片的结合强度。多孔炭片表层镀镍提高了多孔炭片的析氧电位,抑制了在充电过程中的析氧反应。研究表明,两种方法均可在很大程度上提高电极的循环寿命,30次循环后电极活性物质比容量分别具有83%和90%的保持率。
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