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镍氢电池、锌镍电池和锂离子电池的正极材料制备、结构及电化学性能研究

作　者: 王新
导　师: 廖代伟
学　校: 厦门大学
专　业: 物理化学
关键词: 化学电源掺杂 Mg β-Ni（OH）2 β-NiOOH LiNi0.9Co（0.1）O2
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

百年化学电源，从伏打教授发明的伏打电堆起一路跋涉。无数的新材料研发改进，无数的技术创新应用，无数的化学工作者孜孜不倦等等，使得化学电源家族繁盛，日新月异。化学电源的发展推动着科学技术和生产力的发展，推动着社会和文明的进步。本文即以镍元素（Ni）为主线，先后合成出了Ni（OH）₂、NiOOH和LiNiO₂以及其掺杂改进后的三类电池正极材料，并分别组装成镍氢电池、锌镍电池和锂离子电池。电极材料的改进对于电源性能的提高有着至关重要的作用。本文首先通过添加不同含量的镁，制备出掺杂Mg的β-Ni（OH）₂电池正极材料，采用多种结构分析、热分析以及电化学研究方法及实验手段，深入研究了添加元素对β-Ni（OH）₂正极材料的结构特征、热学性质及电化学性能的影响，试验结果表明：与Mn、Al等元素掺杂到一定含量后使Ni（OH）₂晶型由β型转化为α型不同，即使Mg掺杂含量达到30％，样品仍为β型。但样品晶格产生畸变，晶粒尺寸随Mg含量的增加先变小后增大，电化学性能随Mg含量的增加先变好后变坏。Mg最佳含量为5％左右，此时OH^-数量增多，产生了大量的晶格畸变，c轴拉长，有利于质子扩散系数的变大，增强了反应的可逆性，提高了电极充电效率和活性物质的利用率，从而改善了电极的电化学性。其次在制备出掺杂Mg的β-Ni（OH）₂材料后，我们采用K₂S₂O₈作为氧化剂，在强碱性条件下，使氢氧化镍镁进一步氧化成羟基氧化镍镁，成功制备出β-羟基氧化镍镁，而且进一步优化工艺参数，确定最佳合成条件。由本合成路线制备出的β-羟基氧化镍具有较好的储存稳定性，且原材料便宜，工艺路线简单，易于工业化生产。并考察添加元素对β-NiOOH正极材料的结构特征、热学性质、存储稳定性及电化学性能的影响，试验结果表明：掺杂Mg不改变β-Ni（OH）₂及其氧化物β-NiOOH的晶体类型。掺杂一定Mg含量后，提高了晶体的结构稳定性，使得电极材料有更好的电化学可逆性，在碱性溶液中具有更佳的储存性能；但掺杂含量过高时，却使得材料电化学性能变差，故Mg的掺杂最佳含量为5％左右。最后在制备出掺杂Co的β-NiOOH前驱体后，我们直接用+3价的镍离子和氢氧化锂进行固相烧结，避免了氧气高温（850℃）的苛刻条件，及Ni²⁺难于氧化为Ni³⁺等问题，实现了在空气非高温条件下合成LiNi_0．9Co_0．1O₂的工艺条件，并通过正交方法优化出在空气非高温条件下合成LiNi_0．9Co_0．1O₂的烧结温度和时间等工艺参数，得出最佳烧结温度为600℃，烧结时间为24h，此条件下晶体尺寸、层状特性、结晶程度和有序程度都表现最佳。通过组装后的电池考察材料的电化学性能，结果表明材料首次放电能量为177mA·h／g，首次充电能量为206mA·h／g，首次充放电效率高达86％，20次循环后可逆放电容量为167mA·h／g，容量保持率高达94％，说明采用掺杂部分Co后的β-NiOOH作为前驱体对于材料保持良好的电化学性能和工业化生产有着重要的作用。

全文目录

摘要  11-13
ABSTRACT  13-16
第一章绪论  16-48
  1.1 化学电源简介  16-17
  1.2 锌镍电池  17-24
    1.2.1 锌镍电池的工作原理和正极材料结构  17-22
    1.2.2 NiOOH正极材料的制备方法  22-23
    1.2.3 锌镍电池正极材料的不足和改进  23-24
  1.3 镍氢电池  24-33
    1.3.1 镍氢电池的工作原理和正极材料结构  24-27
    1.3.2 β-Ni(OH)2的制备方法  27-29
    1.3.3 β-Ni(OH)2的掺杂改进  29-33
  1.4 锂离子电池  33-42
    1.4.1 锂离子电池的工作原理和正极材料结构  33-39
      1.4.1.1 锂钴氧化物  35-37
      1.4.1.2 锂镍氧化物  37-38
      1.4.1.3 锂锰氧化物  38-39
    1.4.2 锂离子正极材料的合成方法  39-41
    1.4.3 锂离子电池正极材料的改进研究  41-42
  1.5 本文的研究目的及主要内容  42-44
  参考文献  44-48
第二章实验与仪器方法  48-54
  2.1 实验试剂  48
  2.2 正极材料的合成及制备  48-50
    2.2.1 掺杂Mg的β-Ni(OH)2正极材料的制备  48-49
    2.2.2 掺杂Mg的β-NiOOH正极材料的制备  49
    2.2.3 LiNi_(0.9)Co_(0.1)O_2正极材料的制备  49-50
  2.3 正极材料物理化学性质的表征  50-51
    2.3.1 XRD表征  50
    2.3.2 FTIR表征  50-51
    2.3.3 TG—DSC表征  51
    2.3.4 SEM表征  51
  2.4 正极材料电化学性能的测定  51-53
    2.4.1 粉末铂微电极的制备  51-52
    2.4.2 CV测试  52-53
    2.4.3 充放电测试  53
  2.5 正极材料储存性能测试  53-54
第三章镁掺杂氢氧化镍正极材料的制备、结构和电化学性能  54-65
  3.1 引言  54
  3.2 镁掺杂氢氧化镍正极材料的制备原理  54-55
  3.3 镁掺杂氢氧化镍正极材料的结构表征  55-59
    3.3.1 XRD分析  55-57
    3.3.2 FTIR分析  57-58
    3.3.3 TG分析  58-59
  3.4 镁掺杂氢氧化镍正极材料的电化学性能  59-63
  3.5 文章小结  63-64
  参考文献  64-65
第四章镁掺杂羟基氧化镍正极材料的制备、结构和电化学性能  65-80
  4.1 引言  65
  4.2 镁掺杂羟基氧化镍正极材料的制备原理  65-66
  4.3 镁掺杂羟基氧化镍正极材料的结构表征  66-72
    4.3.1 XRD分析  66-68
    4.3.2 FTIR分析  68-69
    4.3.3 TG—DSC分析  69-72
  4.4 镁掺杂β-羟基氧化镍正极材料的电化学性能  72-77
  4.5 镁掺杂β-羟基氧化镍正极材料储存性能测试  77-78
  4.6 本章小结  78-79
  参考文献  79-80
第五章 LiNi_(0.9)Co_(0.1)O_2正极材料的制备、结构和电化学性能  80-93
  5.1 引言  80
  5.2 LiNi_(0.9)Co_(0.1)O_2正极材料的制备原理  80-81
  5.3 电极和电池制备  81-82
    5.3.1 电极制备  81-82
    5.3.2 电池制备  82
  5.4 LiNi_(0.9)Co_(0.1)O_2正极材料的结构表征  82-89
    5.4.1 XRD分析  82-86
    5.4.2 SEM分析  86-89
  5.5 LiNi_(0.9)Co_(0.1)O_2正极材料的电化学性能  89-91
  5.6 本章小结  91-92
  参考文献  92-93
攻读硕士研究生期间发表的论文及专利  93-94
致谢  94

镍氢电池、锌镍电池和锂离子电池的正极材料制备、结构及电化学性能研究

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