基本信息
- 项目名称：
- 镍氢电池正极材料纳米Ni(OH)2制备及其复合电极放电性能研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 我国正在大力推进新能源战略，作为绿色环保电池的镍氢电池在动力电源方面具有广泛的应用。氢氧化镍是镍氢电池正极材料，纳米氢氧化镍因其高活性将对镍氢电池容量产生重要影响。本作品研究纳米Ni(OH)2 的制备工艺,并用制备的纳米粉体应用于提高镍氢电池的性能，因此作品具有重大实际意义。本论文内容已申请中国发明专利（受理号：200910038501.8）。 本作品以硝酸镍和氢氧化钠为主要原料，吐温-80（Tw-80）作分散剂，采用加超声波的沉淀法制备出针形和准球形混合的纳米β-Ni(OH)2，将制备的纳米粉体以8%比例掺入到生产用微米级球镍中制成复合镍正极，LaNi5合金制成电池负极，研究了Tw-80比例对纳米粉体振实密度及其复合镍正极放电性能的影响。结果表明：振实密度和放电比容量均随Tw-80用量增加先增大后减小；复合镍电极放电平台比纯球镍电极高；Tw-80用量为2%制备的纳米粉体以8%的比例与球镍混合时，其复合镍电极的放电比容量最大，达到256.7mAh/g，比纯球镍电极的放电比容量（230.7 mAh/g）高出11.3%，寿命也比后者有一定延长。 关键词：纳米β- Ni(OH)2，超声波沉淀法，吐温-80，振实密度，复合镍电极，放电比容量
- 详细介绍：
- 我国正在大力推进新能源战略，作为绿色环保电池的镍氢电池在动力电源方面具有广泛的应用。氢氧化镍是镍氢电池正极材料，纳米氢氧化镍因其高活性将对镍氢电池容量产生重要影响。本作品研究纳米Ni(OH)2 的制备工艺,并用制备的纳米粉体应用于提高镍氢电池的性能，因此作品具有重大实际意义。 摘要:以硝酸镍和氢氧化钠为主要原料，以吐温-80（Tw-80）作分散剂，用超声波沉淀法制备出针形和准球形混合的纳米β-Ni(OH)2，将制备的纳米粉体以8%比例掺入到生产用微米级球镍中制成复合镍电极作正极，LaNi5合金制成电池负极，研究了Tw-80比例对纳米粉体振实密度及其复合镍电极放电性能的影响。结果表明：振实密度和放电比容量均随Tw-80用量增加先增大后减小；复合镍电极放电平台比纯球镍电极高；Tw-80用量为2%制备的纳米粉体以8%的比例与球镍混合时，其复合镍电极的放电比容量最大，达到256.7mAh/g，比纯球镍电极的放电比容量（230.7 mAh/g）高出11.3%，寿命也比后者有一定延长。 独特之处： 本作品内容已申请国家发明专利（受理号：200910038501.8），具有两大特点：①在常规的沉淀法基础上加入了超声波，使整个反应过程都在超声波振动环境中进行，因此制得的纳米粉体比沉淀法分散性好，活性高。②制得的纳米β- Ni(OH)2是针形和准球形的混合颗粒，这种混合颗粒掺入到微米级球镍中制成复合电极，一方面由于纳米β- Ni(OH)2高的活性，另一方面由于针状颗粒较大的长径比，能在泡沫镍基体中形成有效的网格，使得电极在充放电过程中不易掉粉，从而使复合电极放电比容量比生产用纯球镍电极提高了11.3%，这个结果达到同类研究中较高的水平。本作品研究思路、做法及结果对镍氢电池生产厂家都有重要参考价值和实际意义。 发表的文章： [1] Tw-80对纳米Ni（OH）2振实密度及其复合电极放电容量的影响[J].《稀有金属材料与工 程》（SCI收录期刊），2009，38（6）：1108-1111. [2] 氢氧化镍的制备方法与应用[J].《矿冶工程》（EI收录期刊），2008，28(6)：246-250. [3] pH值和表面活性剂对纳米氢氧化镍堆积密度的影响[J].《中国有色冶金》（中文核心期 刊），2008，48(3)：22-24. 获得的奖励： 本作品获得学校2008年“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖和第十届“挑战杯” 广东省大学生课外学术科技作品竞赛二等奖. 专利申请： 2009年4月申请了中国发明专利:一种纳米氢氧化镍及其复合电极的制备方法和用途[P],受理 号：200910038501.8. 课题来源： 1 广州市科技计划项目“提高MH-Ni电池正极材料Ni(OH)2放电容量的关键技术研究”（No.2008J1-C161）; 2 学校大学生课外学术科技活动立项资助项目“电池正极材料氢氧化镍的制备与X射线衍射测试分析”（2007）.
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 研究目的是制备出高性能纳米氢氧化镍,并应用于提高镍氢电池的容量。撰写目的是通过作品撰写,将得到的优化工艺展现出来与大家探讨,通过互相交流学习共同推进绿色电池工业的快速发展。基本思路是针对目前纳米粉体普遍存在易团聚现象,本课题对通常的沉淀法进行改进,加入超声波振动,从而制得分散好、活性高的纳米Ni(OH)2,将其掺入到生产用球镍中制成复合电极,使复合电极放电比容量比纯球镍电极有较大提高。
科学性、先进性及独特之处
- 作品内容已申请中国发明专利(No.200910038501.8),特点一是在通常的沉淀法上加入超声波,使整个反应过程都在超声波振动中进行,利用超声波和分散剂的双重分散作用,使制得的纳米粉体比沉淀法分散性好,活性高;特点二是制得针形和球形混合的纳米颗粒,将其掺入到球镍中制成复合电极,集纳米颗粒的高活性和针状颗粒能在基体中形成网格而不易掉粉的优点,使复合电极放电比容量比纯球镍电极高出11.3%。
应用价值和现实意义
- 课题研究纳米氢氧化镍的制备工艺,并用制备的纳米粉体应用于提高镍氢电池性能具有重大意义： 首先,镍氢电池是绿色环保电池,研究并提高其性能具有明显环保意义和社会意义。 其次,实验通过加超声波提高纳米粉体性能,并用制备的纳米粉体以8%掺入到生产用球镍中制成复合电极,使其放电比容量比纯球镍电极高出11.3%,其研究思路和方法值得镍氢电池生产企业借鉴和推广,并有望取得较好的经济效益。
学术论文摘要
- 我国正在大力推进新能源战略,作为绿色环保电池的镍氢电池在动力电源方面具有广泛的应用。氢氧化镍是镍氢电池正极材料,纳米氢氧化镍因其高活性将对镍氢电池容量产生重要影响。本课题研究纳米氢氧化镍的制备工艺,并将制备的纳米粉体应用于提高镍氢电池的性能,因此本研究具有重大意义,其作品内容已于2009年申请中国发明专利。 本文以硝酸镍和氢氧化钠为主要原料，吐温-80作分散剂,采用加超声波的沉淀法制备出准球形和针形混合的纳米β-Ni(OH)2,将制备的纳米粉体以8%比例掺入到生产用微米级球镍中制成复合镍正极,LaNi5合金制成电池负极,研究了吐温-80比例对纳米粉体振实密度及其复合镍正极放电性能的影响。结果表明：振实密度和放电比容量均随吐温-80用量增加先增大后减小;复合镍电极放电平台比纯球镍电极高;吐温-80用量为2%制备的纳米粉体以8%的比例与球镍混合时，其复合镍电极的放电比容量最大,达到256.7mAh/g,比纯球镍电极的放电比容量高出11.3%，寿命也比后者有一定延长。 关键词：纳米β-Ni(OH)2,超声波沉淀法,吐温-80,复合镍电极,放电比容量,振实密度
获奖情况
- ① 发表的论文： [1] "Tw-80对纳米Ni（OH）2振实密度及其复合电极放电容量的影响"在《稀有金属材料与工程》（SCI收录期刊）上发表，2009，38（6）：1108-1111. [2] "氢氧化镍的制备方法与应用"在《矿冶工程》（EI收录期刊）上发表，2008，28(6)：246-250. [3] "pH值和表面活性剂对纳米氢氧化镍堆积密度的影响"在《中国有色冶金》（中文核心期刊）上发表，2008，37(3)：22-24. ② 专利申请： 2009年4月申请了中国发明专利:"一种纳米氢氧化镍及其复合电极的制备方法和用途",申请受理号：200910038501.8. ③ 获得的奖励： 本作品获得学校2008年“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖和第十届“挑战杯”广东省大学生课外学术科技作品竞赛二等奖
鉴定结果
- XRD、TEM及电池性能测试表明(见附件):样品为β相氢氧化镍;球形和针形纳米颗粒混合体，尺寸为15-50nm;复合电极放电比容量比纯球镍电极高11.3%。
参考文献
- 研究显示，镍氢电池容量受正极材料限制[1，2]，镍正极核心组分氢氧化镍（Ni（OH）2）颗粒性能的提高是决定镍氢电池整体性能的关键[3]，纳米氢氧化镍比普通生产用球镍具有更优异的电催化活性、高的放电平台与高的电化学比容量[4-7]。 天津大学刘元刚等[3]研究了大小尺寸Ni（OH）2颗粒混合的镍正极充放电性能，当小颗粒以3%的比例掺入时，比容量比大颗粒电极提高约20mAh/g（或提高约7.7%）；哈尔滨工业大学赵力等[8]以吐温-80作表面活性剂（添加量为10ml/L）制得直径为30-60nm的β-Ni（OH）2，将其以8%比例掺入到球镍中制成镍电极，使电极的氢氧化镍利用率提高了10%；但河北工业大学董琪等[9]研究表明，采用吐温-80作表面活性剂虽然能使Ni（OH）2晶体颗粒粒径减小，但对其电极的电化学性能影响不大。针对以上赵、董的研究结果，本课题也选用吐温-80作分散剂，并采用加超声波的沉淀法制备出分散好、活性高的纳米Ni（OH）2粉体，将其以8%的比例掺入到生产用球镍中制成复合电极，其复合电极放电比容量比纯球镍电极高出11.3%。因此，本研究结果已达到同类研究中较高水平。主要参考文献: [1] 陈军,陶占良.镍氢二次电池[M].北京:化学工业出版社,2006年4月第一版:176-177． [2] 张倩,徐艳辉,王晓琳等.稀有金属材料与工程，2005，34（11）：1823-1826． [3] 刘元刚,唐致远,徐强等.中国有色金属学报,2005,15(9）:1426-1430. [4] 韩喜江,谢小美,徐崇泉等. 无机化学学报, 2003,19(3):247-251. [5] Zhou H B, Zhou Z T. Solid State Ionics, 2005,176:1909-1914. [6] Guan X Y,Deng J C. Material Letters,2007,61: 621-625. [7] Liu X H, Lan Y. Journal of Power Sources, 2004,128:326-330. [8] 赵力,周德瑞,张翠芬.化学通报,2001,64(8):513-515. [9] 董琪,韩恩山,闰艳波.化学世界,2007,48(3):189-191.
同类课题研究水平概述
- 研究纳米氢氧化镍的制备方法始于20世纪末，到如今科学家们已经研制出多种方法，如固相沉淀转化法、配位沉淀法、均相沉淀法和球磨法等。沉淀法是制备纳米氢氧化镍的主要方法，该方法以难溶化合物溶度积的差异作为反应动力，通过改变沉淀剂以及沉淀剂浓度、控制转化温度等方法控制转化速度，从而达到控制颗粒生长的目的。球磨法虽然工艺简单，易于工业化放大，但不易制得颗粒均匀的纳米粉体。以上两类方法的共同缺点是制备的纳米粉体易团聚，活性不够高，降低了纳米材料应有的效能。 总的来说，纳米氢氧化镍研究的时间较短，至今还没有实际应用于电池生产中,主要原因是目前生产制备的纳米氢氧化镍存在以下缺点：①分散性差，易团聚；②纳米晶粒的大小、形态及内部结构没有优化；③纳米粒子和导电剂粒子的大小比例不匹配；④纳米氢氧化镍堆积密度低；⑤ 纳米晶粒间的电阻较大。 针对以上缺点，研究者们采取各种不同手段加以克服或改善。如天津大学刘元刚等针对以上④、⑤条采取大小颗粒混合制成镍电极，使电极放电容量比纯大颗粒电极提高约20mAh/g（即提高约7.7%）；针对①条，哈尔滨工业大学赵力等选用吐温-80作表面活性剂制得直径为30-60nm的氢氧化镍，将其以8%比例掺入到球镍中制成镍电极，使电极的氢氧化镍利用率提高了10%；但河北工业大学董琪等研究表明，采用吐温-80作表面活性剂虽然能够使氢氧化镍晶体颗粒粒径减小，但对其电极的电化学性能影响不大。 本课题在上述研究背景下设计了如下研究思路： 1、也用吐温-80作分散剂制取纳米氢氧化镍粉体，再将粉体以一定比例掺入到生产用球镍中制成复合镍电极并测试其容量，看看这种分散剂对电极的放电比容量究竟有没有影响。 2、采用加超声波的沉淀法制备纳米氢氧化镍，使整个反应过程都在超声波振动环境中进行，目的是利用超声波的分散功能与分散剂协同作用使纳米粉体得到较好分散而不易团聚，且通过超声波振动作用达到颗粒结构致密，粒度均匀，以期克服或改善上述①、②的缺点。 本课题研究结果如下：采用超声波沉淀法制得了准球形和针形混合的纳米氢氧化镍，其粉体分散性好、活性高;吐温-80对镍电极放电性能有影响,吐温-80用量为2%制备的纳米粉体以8%的比例与球镍混合制成复合电极，其放电比容量比纯球镍电极高出11.3%。可见,本研究结果已达到同类研究的较高水平.
