基本信息
- 项目名称：
- Ni(OH)2/MCNTs复合电极活性材料的制备与电化学性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 碳纳米管（CNT）具有优良的导电性、极高的强度、极大的韧性和很高的比表面积，是一类理想的导电添加剂。而本项目利用化学共沉淀法把在液相中现场生成的氢氧化镍微粒直接分散负载在MCNT 表面，使二者成为一种原位复合材料，MCNT在复合材料中形成的导电网络不仅可以改善氢氧化镍颗粒内部及颗粒间的导电性和高倍率性能，同时其优异的力学性能还可以有效地抑制镍电极在高倍率充放电过程中的膨胀粉化，进而提高其循环寿命。
- 详细介绍：
- 碳纳米管（CNT）具有优良的导电性、极高的强度、极大的韧性和很高的比表面积，是一类理想的导电添加剂。相对于单壁碳纳米管（SCNT）的低产率，近几年来多壁碳纳米管（MCNT）的制备方法获得了突破，这也为MCNT 的实践应用提供了条件。在电化学领域，MCNT 在燃料电池、超级电容器以及锂离子电池电极材料方面的应用已被大量研究，并取得了一定的成果。但在镍氢电池正极材料方面，MCNT 的应用研究鲜有报道。Tu 等研究发现在镍电极中直接添加MCNT 可以改善电池的高倍率放电性能、提高电池的循环稳定性和放电平台，该研究为改善氢氧化镍的高倍率性能提供了参考。但是，直接将MCNT 机械混合添加到氢氧化镍粉体中，无法改善氢氧化镍颗粒内部的导电性。此外，MCNT 的不均分布还会导致其利用率下降，不能充分地的改善氢氧化镍的高倍率性能。因此，有必要探索更有效的MCNT 添加新方法。 本项目的主要研究目的是，利用化学共沉淀法把在液相中现场生成的氢氧化镍微粒直接分散负载在MCNT 表面，使二者成为一种原位复合材料，MCNT在复合材料中形成的导电网络不仅可以改善氢氧化镍颗粒内部及颗粒间的导电性和高倍率性能，同时其优异的力学性能还可以有效地抑制镍电极在高倍率充放电过程中的膨胀粉化，进而提高其循环寿命。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 为了充分改善Ni(OH)2的导电性，利用化学共沉淀法把在液相中现场生成的氢氧化镍微粒直接分散负载在MCNT表面，使二者成为一种复合材料。MCNT在复合材料中形成的导电网络不仅可以改善氢氧化镍颗粒内部及颗粒间的导电性和高倍率性能，同时其优异的力学性能还可以有效地抑制镍电极在高倍率充放电过程中的膨胀粉化，进而提高其循环寿命。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性和先进性：高比容量和大电流充放电性能是目前制约镍基电池发展的最关键问题，本项目拟采用结晶控制的方法在氢氧化镍体相内部复合纳米碳材料的方法从本质上提高氢氧化镍的导电性，提高材料的大电流充放电特性。 独特之处：将高导电性的纳碳材料原位复合到氢氧化镍体相中，一方面可以提高材料的导电性，另一方面还可以控制材料充放电过程体系膨胀-收缩造成的粉化，进而提高材料的电化学稳定性和循环寿命。
应用价值和现实意义
- 本项目的实施对解决目前镍氢电池作为动力电池的关键性问题，即高比容量和大电流充放电性能，促进高性能镍氢动力电池的研究和开发具有重要的理论意义和实际价值；广西具有丰富的铝、镍、稀土等有色金属资源，本项目研究的动力电池用氢氧化镍正极材料对镍及其它相关有色金属资源的深开发和利用具有重要意义。
学术论文摘要
- 金属氢化物镍(MH/Ni)电池是现今应用最广泛的二次电池之一，提高MH/Ni电池的功率特性是MH/Ni电池在电动汽车等领域推广应用的重要任务。但正极活性材料β-Ni(OH)2导电性差的特点影响了MH/Ni电池高倍率性能的提高。为了改善β-Ni(OH)2的导电性，提高其倍率性能，本论文通过化学共沉淀法将液相中现场生成的β-Ni(OH)2负载于多壁碳纳米管（MCNT）表面，使二者形成一种复合电极活性材料。采用X射线衍射（XRD）、红外光谱（IR），热重分析（TG-DTA）和扫描电子显微镜（SEM）对样品材料的微观结构和表面形貌进行了表征；采用循环伏安（CV）、交流阻抗（EIS）和充放电测试对样品的电化学性能进行了表征。结果表明，碳纳米管复合并没有改变β-Ni(OH)2的晶体结构，但明显增加了β-Ni(OH)2的结构缺陷；在β-Ni(OH)2中复合一定量的MCNT能够改善镍电极的电化学反应的可逆性，降低镍电极的电化学反应阻抗，进而提高镍电极的放电比容量和循环性能。
获奖情况
- 发表论文：Preparation and Characterization of Nickel Hydroxide/Multi-Wall Carbon Nanotubes Composite. The Fourth China-Europe Symposium on Processing and Properties of Reinforced Polymers. Guilin, 8-12 June 2009 (P-069, p207) 获奖：作品曾在2010年获得“2009年大学生科技成果特等奖”
鉴定结果
- 以上作品的发表及所获奖励有附加的材料来证实和鉴定。在对作品的发表刊登上，望核实及校对。
参考文献
- 现有技术及技术文献： [1] 李延伟, 刘长久*, 姚金环. 非晶相氢氧化镍电极材料的研究进展. 现代化工 2010, (2) 25-27+29. [2] 李延伟*，李月晓，姚金环，姜吉琼，张正刚，刘长久. 层间阴离子对铝取代氢氧化镍电化学性能的影响. 化工学报, 2010, 61 (10): 2703-2707. [3] 李延伟*, 李月晓, 姚金环, 刘长久, 朱文凤. α/β互嵌氢氧化镍电极活性材料的结构和电化学性能. 材料研究学报, 2011, 25(1): 51-56. [4] Changjiu Liu*, Yanwei Li*, Peipei Li, Chunxiao Xing. Structure and lectrochemical Performance of Nickel Hydroxide Synthesized by Rapid Quench Method. Mat. Res. Bull., 2010, 45(12): 2001-2005. [5] Changjiu Liu, Yanwei Li*. Synthesis and characterization of amorphous α-nickel hydroxide. J. Alloy Compd. 2009, 478 (1-2): 415-418.
同类课题研究水平概述
- 汽车尾气排放对城市造成的严重空气污染以及全球石油危机日益严重，已开始受到各国政府的高度重视。解决问题的最佳途径之一在于发展电动车辆。电池的可靠性、安全性、电池材料的资源与环境问题以及电池性能的发展趋势，镍氢电池被确定为电动车首选动力电池。镍氢电池中，正极活性物质氢氧化镍的性能是电池整体综合性能提高的关键，也是目前制约镍氢动力电池发展的“瓶颈”。因此，设计和制备高性能氢氧化镍电极材料仍然是目前的热点课题之一。 氢氧化镍是一类低导电性的半导体电极活性材料，放电过程为固相质子扩散控制。较低的高倍率性能是影响氢氧化镍作为动力电池正极材料的关键，因此如何提高氢氧化镍的高倍率性能成为目前人们关注的课题之一。为改善氢氧化镍的电子导电性，提高其高倍率性能，目前最常用的方法是直接对氢氧化镍粉体包覆或添加钴添加剂（如：Co、CoO、CoOOH）。钴添加剂可以在一定程度上改善氢氧化镍的高倍率性能，但钴添加剂与氢氧化镍颗粒之间的这种物理混合无法降低氢氧化镍颗粒内部的电阻，因而不能有效地改善氢氧化镍的高倍率性能。碳纳米管具有优良的导电性、极高的强度、极大的韧性和很高的比表面积，是一类理想的导电添加剂。相对于单壁碳纳米管的低产率，近几年来多壁碳纳米管的制备方法获得了突破，这也为MCNT 的实践应用提供了条件。在电化学领域，MCNT 在燃料电池、超级电容器以及锂离子电池电极材料方面的应用已被大量研究，并取得了一定的成果。但在镍氢电池正极材料方面，MCNT 的应用研究鲜有报道。Tu 等研究发现在镍电极中直接添加MCNT 可以改善电池的高倍率放电性能、提高电池的循环稳定性和放电平台，该研究为改善氢氧化镍的高倍率性能提供了参考。但是，直接将MCNT 机械混合添加到氢氧化镍粉体中，无法改善氢氧化镍颗粒内部的导电性。此外，MCNT 的不均分布还会导致其利用率下降，不能充分地的改善氢氧化镍的高倍率性能。因此，有必要探索更有效的MCNT 添加新方法。
