片状氢氧化镍的合成及电化学性能研究浅谈
摘要：本文以氨水为配位剂，用配位沉淀法制备了片状氢氧化镍，用SEM、XRD等手段表征材料的形貌和结构，并进行了电化学性能研究。结果表明：材料为具有特殊表面片状结构的α-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2混合物，片厚约为20~30 nm。相比于球形Ni(OH)2，合成材料具有较好的电化学可逆性。将合成材料作为正极材料组装成镍氢模拟电池进行充放电，0.2C充放电条件下，材料的放电比容量为313 mAh/g；1C充放电条件下，首次放电比容量为285 mAh/g，200次循环后容量保持率为96.8%。
Preparation and Electrochemical Performance of flaky Ni(OH)2
YUAN Guo-xia, HUANG Ke-Long, LIU Su-Qin, ZHONG Xiao-Ling
(College of Chemistry & Chemical Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410083, China)
Abstract: Flaky nickel hydroxide was synthesized by a coordination precipitation method with ammonia as the coordination agent. The product was characterized by XRD and SEM. The electrochemical performance was investigated. The results showed that the sample was formed with a special flaky α-Ni(OH)2 and β-Ni (OH)2 with the thickness of 20~30 nm. The sample has better electrochemical reversibility compared with the commercial spherical β-Ni(OH)2. The Ni/MH battery simulators with the above treated samples as positive material show a discharge capacity of 313 mAh/g at 0.2C charge/discharge rate. The first discharge capacity is 285 mAh/g at 1C charge/discharge rate with a capacity maintenance of 96.8% after 200 cycles.
Key words: flaky Ni(OH)2; coordination precipitation method; Ni/MH battery
1 前言
MH/Ni电池作为一种绿色能源，具有高比能量、可高倍率充放电和对环境无污染[1]等优点，是电动汽车用动力电池的最佳选择之一。目前电池中采用的Ni(OH)2多为微米级球形β-Ni(OH)2，它具有较高的活性和较高的堆积密度[2]，有利于提高活性物质的装填量，从而提高电池的体积比容量和使用寿命。然而经过多年开发，球形β-Ni(OH)2的电化学性能有了很大提高，实际电化学容量已接近理论值289 mAh/g，继续开发的余地很小。随着新型电子设备的不断发展，迫切要求镍氢电池具有更高的质量比容量、体积比容量、更长的循环寿命和大电流充放电等性能。而球形β-Ni(OH)2已经不能满足现代电器设备的要求，需研究开发其他类型的氢氧化镍电极以满足其需求。
Yang Li-Xia等[3]用水热法，以乙酸镍为原料制备了康乃馨状Ni(OH)2；Wang De-bao等[4]用模板法制备了中空的球形Ni(OH)2；Kong Xiang-hua等[5]以硫酸镍和氨水为原料制备了花形的Ni(OH)2；Jayashree R.S.等[6]以硝酸镍、氢氧化钠为原料制备了βbc-Ni(OH)2，研究表明其可逆放电容量可达400 mAh/g，远高于β-Ni(OH)2的289 mAh/g。此外，Li Xiao-lin等[7]利用层状的NiC2O4为前驱体，在NaOH强碱性水热条件下于160℃反应12h，得到具有准一维纳米结构的单晶Ni(OH)2纳米片和纳米棒。由于该类材料的研发时间较短，目前主要集中在制备方法的研究，很少对其进行真正的电化学性能考察，其性能优越性还处于展望阶段。本文用氨水为配位剂，在没有模板的条件下合成了由纳米片组成的Ni(OH)2微米级花状结构，并对其电化学性能进行了较为系统的研究。
2 实验部分
2.1 氢氧化镍材料制备和表征
常温下向1M Ni(NO3)2溶液中逐滴加入26%-28%氨水[8]，搅拌均匀，加热至50℃，加入吐温-80溶液，加热至70℃，反应2h，后在60℃下陈化24h。冷却至室温，过滤，用蒸馏水、乙醇洗涤，60℃真空干燥12h，得到的绿色粉末即为产物Ni(OH)2。
反应产物采用XD-98型全自动X射线衍射仪(Cu Kα)分析样品的物相，管电压为40 kV，管电流30 mA，扫描范围5°~85°，扫描速度为4.0°/min；采用JSM-6360LV 扫描电子显微镜(SEM)、JE01-1230型透射电子显微镜(TEM)对产物的表面形貌和晶粒大小进行分析。
2.2 镍电极的制备和电化学性能测试
将一定量的镍活性物质、Ni粉、CoO、粘结剂(PTFE)按照80:10:5:5的质量比混合成黏糊状，以泡沫镍为基体，压制成尺寸为1 cm×1 cm的电极片，在60 ℃下干燥，并在电解液(每升含6 mol KOH 和15g LiOH)中浸泡24 h备用。以Hg/HgO为参比电极，采用CHI660C电化学工作站(上海辰华公司)对样品进行循环伏安测试。并用球形Ni(OH)2(比亚迪股份有限公司)电极进行比较。以上述方法制备的电极片为正极，容量足够大的LaNi5储氢合金片为负极，与上述电解液组装成模拟镍氢电池，采用武汉金诺Land测试系统检测模拟电池的充放电性能。镍电极充分活化后考察模拟电池在0.2C及1C倍率下充放电的容量及循环稳定性，放电截止电压分别为1.0V和0.9V。