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掺杂型不同晶体结构氢氧化镍的制备及性能研究

作　者: 康红欣
导　师: 韩恩山
学　校: 河北工业大学
专　业: 应用化学
关键词: 镍电极比容量微结构混合晶相氢氧化镍
分类号: O614.813
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文主要采用化学共沉淀法制备掺钴β-Ni(OH)2和掺钴锰混合晶相的Ni(OH)2产品,实验过程中采用氨水为络合剂,混合盐溶液和氨碱溶液采取并流的方式加入,单因素考察各种工艺条件pH值、氨碱比、合成温度、陈化时间和添加元素含量对产品性能的影响,对较优条件下产品进行了结构和形貌的分析,并对氢氧化镍充放电性能与结构的关系进行了探讨。采用共沉淀法合成了掺钴氢氧化镍,通过对其进行XRD、IR和TG-DTA分析,得知掺钴氢氧化镍为β型;通过扫描电镜SEM分析,可知以氨水为络合剂,在一定的反应条件下可以得到球形度比较好的颗粒。单因素考察了溶液的pH值、氨碱比、反应温度、陈化时间和Co含量对β型掺钴氢氧化镍的结构及电化学性能的影响。优化的条件为:溶液的pH值为11.5,氨碱摩尔比为2:1,反应温度为60℃,陈化时间15小时,Co摩尔含量为2%～3%时掺钴氢氧化镍的可逆放电比容量较高,达到230 mAh/g,循环性能较好。通过对同时掺杂钴锰的氢氧化镍固溶体进行了XRD、IR、SEM、TG-DTA等结构、形貌及热稳定性分析。根据样品XRD谱图中的特征峰,可以确定本实验用共沉淀法制得的掺杂钴锰的Ni(OH)2样品同时含有α-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2;没有氢氧化锰和氢氧化钴的特征峰,说明它们均匀掺杂到晶格当中。从IR图中可以看出掺钴锰的样品中含有结晶水,与样品的XRD图一致,表明了合成的样品中有α-Ni(OH)2。从SEM可以看出同时混合晶相氢氧化镍产品的形貌与β型不同,呈现花状。采用单因素实验分析掺钴锰氢氧化镍产品振实密度最高的条件为:pH=11.5,T=50℃,NH3:OH-=0.5:1,Co,Mn摩尔含量分别为3%时,为1.45 g/cm3。产品电化学性能最好的条件为:pH=11.7,T=60℃,NH3:OH-=1:1,Mn摩尔含量为20%时,产品的放电容量最高,为303.76 mAh/g;膨胀率最低,仅为1.5%;充电平台电压低,为1.496 V;放电平台电压高,为1.210 V。掺杂Co有利于形成掺杂离子晶格缺陷,提高氢氧化镍活性材料的电化学性能;同时掺杂Co、Mn有利于α-Ni(OH)2的形成,制备出混合晶相的氢氧化镍产品,降低镍电极的成本,同时由于晶体中水分及层间阴离子的存在,增大了晶格缺陷,提高电化学性能,是一种前景广阔的镍电极活性材料。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-11
第一章文献综述  11-20
  1.1 引言  11-12
  1.2 氢氧化镍的制备方法  12-14
    1.2.1 化学沉淀法  12-13
    1.2.2 粉末金属法  13
    1.2.3 电解法  13-14
  1.3 镍氢电池的反应原理  14-15
  1.4 镍电极活性物质的结构和性能  15-16
  1.5 添加剂对氢氧化镍性能的影响  16-18
    1.5.1 化学共沉淀法  17
    1.5.2 表面沉积方式  17-18
    1.5.3 机械混合法  18
    1.5.4 电解液中加入添加剂  18
  1.6 本论文的研究内容  18-20
第二章药品与测试方法  20-26
  2.1 化学药品与仪器  20-21
  2.2 氢氧化镍活性物质的制备  21
  2.3 泡沫镍电极的制备  21
  2.4 测试方法  21-26
    2.4.1 振实密度的测定  21-22
    2.4.2 流动性和沉降性  22
    2.4.3 化学成分测定  22
    2.4.4 晶体结构表征与分析  22-23
    2.4.5 充放电性能测试  23-24
    2.4.6 循环伏安测试  24-26
第三章 β型氢氧化镍的制备及性能研究  26-43
  3.1 引言  26
  3.2 β型掺钴氢氧化镍的结构、形貌分析  26-30
    3.2.1 XRD分析  26-28
    3.2.2 红外分析（IR）  28
    3.2.3 热重—差热分析  28-29
    3.2.4 SEM分析  29-30
  3.3 pH值对β型掺钴氢氧化镍性能的影响  30-33
    3.3.1 pH值对β型掺钴氢氧化镍振实密度的影响  30-31
    3.3.2 pH值对β型掺钴氢氧化镍电化学性能的影响  31-33
  3.4 氨碱比对β型掺钴氢氧化镍性能的影响  33-36
    3.4.1 氨碱比对β型掺钴氢氧化镍振实密度的影响  33-34
    3.4.2 氨碱比对β型掺钴氢氧化镍形貌的影响  34-35
    3.4.3 氨碱比对β型掺钴氢氧化镍电化学性能的影响  35-36
  3.5 陈化时间对β型掺钴氢氧化镍性能的影响  36-37
  3.6 合成温度对β型掺钴氢氧化镍性能的影响  37-38
  3.7 钴含量对β型掺钴氢氧化镍性能的影响  38-41
    3.7.1 钴含量对β型掺钴氢氧化镍产品的振实密度的影响  38
    3.7.2 钴含量对β型掺钴氢氧化镍产品的电化学性能的影响  38-41
  3.8 循环伏安分析  41
  3.9 掺钴β型氢氧化镍的循环性能分析  41-42
  3.10 小结  42-43
第四章混合晶型氢氧化镍的制备及性能研究  43-63
  4.1 引言  43-44
  4.2 掺钴锰混合晶相氢氧化镍结构、形貌分析  44-48
    4.2.1 掺钴锰混合晶相氢氧化镍的XRD分析  44-45
    4.2.2 掺钴锰混合晶相氢氧化镍的IR分析  45-46
    4.2.3 掺钴锰混合晶相氢氧化镍热重—差热分析  46-47
    4.2.4 掺钴锰混合晶相氢氧化镍的SEM  47-48
  4.3 合成温度对掺钴锰混合晶相氢氧化镍性能的影响  48-50
    4.3.1 合成温度对掺钴锰混合晶相氢氧化镍振实密度的影响  48-49
    4.3.2 合成温度对掺钴锰混合晶相氢氧化镍电化学性能的影响  49-50
  4.4 pH值对掺钴锰混合晶相氢氧化镍性能的影响  50-52
    4.4.1 pH值对掺钴锰混合晶相氢氧化镍振实密度的影响  50-51
    4.4.2 pH值对掺钴锰混合晶相氢氧化镍电化学性能的影响  51-52
  4.5 氨碱比对掺钴锰混合晶相氢氧化镍性能的影响  52-56
    4.5.1 氨碱比对掺钴锰混合晶相氢氧化镍振实密度的影响  52-53
    4.5.2 氨碱比对掺钴锰混合晶相氢氧化镍形貌影响  53-54
    4.5.3 氨碱比对掺钴锰混合晶相氢氧化镍电化学性能的影响  54-56
  4.6 锰含量对掺钴锰混合晶相氢氧化镍性能的影响  56-61
    4.6.1 锰含量对掺钴锰混合晶相氢氧化镍结构的影响  56-57
    4.6.2 锰含量对掺钴锰混合晶相氢氧化镍振实密度的影响  57-58
    4.6.3 锰含量对掺钴锰混合晶相氢氧化镍电化学性能的影响  58-61
  4.7 掺钴锰混合晶相氢氧化镍循环伏安分析  61
  4.8 掺钴锰混合晶相氢氧化镍循环性能分析  61-62
  4.9 小结  62-63
第五章氢氧化镍结构与电化学关系初步探讨  63-65
  5.1 引言  63-64
  5.2 掺杂型β-Ni(OH)_2电极结构与电化学关系  64
  5.3 掺杂型混合晶相氢氧化镍电极结构与电化学关系  64-65
第六章结论  65-67
参考文献  67-72
致谢  72-73
攻读学位论文期间所取得的相关科研成果  73

掺杂型不同晶体结构氢氧化镍的制备及性能研究

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