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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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。
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