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论文全面综述了纳米氢氧化镍和非晶态氢氧化镍电极材料的研究现状。基于纳米材料和非晶态材料的诸多优异性能及稀土元素物质独特的物理化学性质,以非晶态纳米氢氧化镍电极活性材料为研究目标,系统研究了其制备合成工艺及行为规律,微结构特性和电化学性能,同时探讨了相应的电化学作用效应机理。
文中以吐温-80为表面活性剂,正丁醇为助表面活性剂,环己烷为有机溶剂,采用微乳液快速冷冻沉淀法,制备非晶态纳米Ni(OH)2以及掺杂稀土元素Ce和Y的非晶态纳米Ni(OH)2粉体。通过测定不同微乳液体系的最大增溶水量,确定其最佳工艺条件为Tween-80:n-C4H9OH:c-C6H12质量比为5:3:8,pH值为12,反应温度为40℃,反应时间为1h。样品材料的物理特性及微结构特征测试表明:组成粉体材料的颗粒呈不规则形状,平均粒径为84.66nm,比表面积为66.54m2·g-1,样品材料中含有一定量的水分子,具有较多的结构缺陷,无序性强,热分解温度较低为285℃。通过对比相同测试条件下非晶态纳米氢氧化镍与工业用球形氢氧化镍的电化学性能,发现非晶态纳米氢氧化镍的放电比容量(326.69mAh·g-1)、放电中值电压(1.2626V)等电化学性能明显优于工业用球形氢氧化镍(放电比容量:268.1mAh·g-1、放电中值电压:1.2252V)。
采用优化的工艺条件分别制各不同掺杂Ce和Y含量的样品,并对其结构和性能进行测试,结果表明:掺杂稀土元素Ce和Y之后氢氧化镍粉体材料的结构仍为非晶态,与未掺杂样品相比,其结构缺陷增多,无序性增强,含水量增多。掺杂4wt%Ce和4wt%Y样品粉体分别呈类球形和不规则形状,其平均粒径分别为63.34nm和79.79nm,比表面积分别为75.05m2·g-1和71.42m2·g-1。以掺杂样品组装MH-Ni模拟电池,在0.2C,放电终止电压为lV的充放电制度下,掺杂4wt%Ce和掺杂4wt%Y样品氢氧化镍电极材料的放电比容量分别达到336.7mAh·g-1和333.3mAh·g-1,放电中值电压分别达到1.2206V和1.2719V,充放电循环50次后容量衰减分别仅为2.07%和1.83%。研究工作发现:掺杂4wt%Ce和4wt%Y以后样品电极与未掺杂的样品电极相比,溶液电阻、电荷转移电阻、Warburg阻抗均减小,电极反应可逆性提高,同时析氧过电位也增大。适量的掺入稀土元素可以提高非晶态纳米氢氧化镍的电化学性能,其中掺杂Ce能较好的提高其放电比容量,而掺Y能较好的提高放电中值电压,但当掺杂量高于6wt%时,其电化学性能又有所下降。