新型电极材料球形α-Ni(OH)2的制备及电化学性能研究

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Ni(OH)2作为正极材料被广泛用于镍氢、镍镉和镍锌等二次电池中。目前商用的Ni(OH)2为β型,经过数十年的基础与实际应用研究,性能已经被开发到了极致,接近其理论比容量。但是随着电动汽车和混动汽车的普及,现有β-Ni(OH)2的性能难以满足市场对电池性能的需求,迫切需要一种更高容量的材料来代替现有的β-Ni(OH)2,因此α-Ni(OH)2映入了研究者的视线。相比于β-Ni(OH)2,α-Ni(OH)2用作氢镍等二次电池正极材料具有下列优势:α-Ni(OH)2与γ-NiOOH的晶体密度接近,在充放电循环中不会引起电极明显膨胀,有利于延长电池的循环寿命;α-Ni(OH)2的理论比容量达482 mAh/g,高于β-Ni(OH)2的289 mAh/g;α-Ni(OH)2的放电平台高、放电曲线平坦、可逆性和大电流充放电性能好;α-Ni(OH)2中Ni元素含量比β-Ni(OH)2低10%~20%(质量分数),可有效降低原料成本。因此,α-Ni(OH)2极具商业价值和前景,亟待研究开发。本研究主要采用水热合成法,以硝酸镍和尿素为原料,聚乙二醇(PEG)作为活性剂,在高压反应釜中合成球型α-Ni(OH)2。通过多种表征手段对合成的样品进行物相和形貌分析,测试结果表明,合成的样品为具有较好的球形形貌的α-Ni(OH)2。电化学性能的测试表明,在常温下其放电容量为330 mAh/g(0.2C),比目前商用β-Ni(OH)2放电容量高出50 mAh/g。另外,通过对合成材料进行热重分析,分析结果显示合成相同质量的产品,本实验所用Ni元素质量比目前商用产品少了约10%,大大节约了合成原料,降低了商业化生产的成本。在以上研究基础上,为了提高合成α-Ni(OH)2稳定性以及进一步提高产品的电化学性能,使用相似的合成方法,引入正三价或正二价的金属阳离子(Co、Al、Zn等),掺杂到α-Ni(OH)2晶格缺陷中。研究发现,金属阳离子的引入,不仅可以增加α-Ni(OH)2的结晶度,使其在强碱液中相结构更加稳定,经过长时间的电化学循环后,不易转变为β-Ni(OH)2,而且还可以提高样品的放电容量和倍率性能,其中掺杂5%Co和1%Zn的样品性能最为优异,常温0.2C下的最大放电容量高到410 mAh/g,接近α-Ni(OH)2理论容量;此外,掺杂后α-Ni(OH)2材料易活化,充放电循环稳定性好,寿命长,表现出巨大的商业化应用潜力。
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