儲氫合金與納米多孔鎳復合材料(HSAs/NPNi)的制備方法及其應用
【技術領域】
:
[0001]本發明涉及HSAs/NPNi復合材料的制備及其作為鎳氫電池負極材料的應用。
【背景技術】
:
[0002]近年來，隨著環境問題日益嚴峻、能源危機的不斷加劇，新能源汽車受到了越來越多的關注。電動汽車(EV)、混合動力電動汽車(HEV)和燃料電池電動汽車(FCVs)是新能源汽車的主體。而發展EVs、HEVs和FCVs的關鍵就是高效率、低成本、安全、環境友好型電池的應用。眾所周知，良好的電池性能是實現由油氣時代向電力時代轉變的關鍵。一些先進的電池技術，例如鎳金屬氫化物(Ni/MH)電池、鋰離子電池和質子交換膜(PEM)燃料電池等，已經在便攜式電子器件、電動工具、電動汽車等方面得到了廣泛的應用。而鎳氫電池由于其低成本、長壽命和優良的安全性以及溫度適應性是混合動力汽車用電池的首選。上述應用對鎳氫電池能量密度的要求相對較低，而對功率密度的要求則非常高。此外，電動工具和一些現代軍事設備對功率密度的要求也非常高。因此，為了滿足市場對高功率鎳氫電池的需求，進一步提高鎳氫電池的競爭力，必須不斷改善儲氫合金的高倍率放電性能(HRD)。
【發明內容】
:
[0003]本發明的目的是提供一種HSAs/NPNi復合材料的制備及其作為鎳氫電池負極材料的應用。涉及一種AB5型儲氫合金(HSAs)與納米多孔鎳(NPNi)復合材料(HSAs/NPNi)的制備方法及其作為鎳氫電池負極材料的應用。該發明通過簡單的水熱法和隨后的退火處理制備了 HSAs/NPNi復合材料。該復合材料獨特的結構特性使其具有較快的電子和離子傳輸速度，從而大大提高了其高倍率放電性能。
[0004]本發明的上述目的是通過以下技術方案實現的，具體內容如下:
[0005]—種儲氫合金與納米多孔鎳復合材料(HSAs/NPNi)的制備方法，包括以下步驟:
[0006]a、在高純氬氣氣氛中通過電弧熔煉的方法熔煉純度多99.5的鑭、鈰、釔、鎳、鈷、錳、鋁，得到其鑄錠；
[0007]b、將鑄錠在氬氣保護氣氛下退火并機械研磨得到母合金粉末，其平均顆粒直徑為50 μ m ；
[0008]c、用簡單的水熱法制備Ni (0H) 2粉末，將1.4?1.5g Ni (NO 3) 2，1.3?1.5g六次亞甲基四胺(HMT)和30?40ml超純水的混合物加入到具有聚四氟乙烯內襯的不銹鋼高壓反應釜中；將密封的反應釜放入100?120°C電烘箱中保溫10?12h，將綠色產物Ni (0H)2通過離心收集；
[0009]d、將所制備的Ni (0H) 2與母合金在瑪瑙研缽中研磨均勻進行集成；將混合物在電烘箱中干燥，然后在管式爐Ar/H2混合氣氣氛中400?450°C條件下熱還原5?6h，制備HSAs/NPNi復合材料。
[0010]所述步驟a中鑄錠的成分不僅僅局限于AB5，也可以是AB2，AB3型儲氫合金。
[0011]所述步驟C中制備Ni(0H)2時，Ni(N03)2和HMT可以是相同比例的不同質量。
[0012]步驟d中管式爐的升溫條件是1?3°C /min。
[0013]所述的儲氫合金與納米多孔鎳復合材料(HSAs/NPNi)，其作為電極材料進行電化學測試，包括以下步驟:
[0014]a、先將(λ 25?(λ 255g活性材料，即HSAs/NPNi復合材料或母合金與1.0?L 02g羰基鎳粉混合均勻，再由壓片機在8?20MPa的壓力下壓制成直徑為10?15mm的電極片，將電極浸在25?35被％的Κ0Η溶液中2?4h，使其在電化學測試前完全浸濕；
[0015]b、電化學測試是在一個標準的三電極系統中進行的，其中步驟a中制備的電極作為工作電極，燒結Ni(0H)2/Ni00H電極作為對電極，汞/氧化汞(Hg/HgO)電極作為參比電極，25?35wt %的Κ0Η溶液作為電解質；
[0016]c、用所述HSAs/NPNi復合電極作為工作電極進行放電容量測試是在ARBIN電池測試系統上進行的，在室溫25°C條件下，電極以60mAg Y0.2C)的電流密度充電7.5h，靜置30min，然后以60mAg 1 (0.2C)的電流密度放電至截止電壓相對于Hg/HgO參比電極達到-0.74V，循環4次進行活化，達到最大放電容量Cmax;
[0017]d、完全活化后，進行高倍率放電性能測試，電極以SOOmAg1 (1C)的電流密度充電，然后以300，600，900，1200，1500，2400，3000mAg 1 (10C)的電流密度分別放電至截止電壓:-
0.65，-0.6，-0.5，-0.45，-0.4，-0.35，-0.3V，該截止電壓是相對于 Hg/HgO 參比電極；
[0018]e、電化學性能測試是在IVIUM電化學工作站上進行的。在相對于0CP的振幅為5mV時進行交流阻抗測試，測試的頻率范圍由100kHz至5mHz ;在50%放電深度條件下，在相對于0CP的電勢掃描范圍為_5至5mV時，進行掃速為0.05mV/s的線性極化曲線測試；在50%放電深度條件下，在相對于0CP的電勢掃描范圍為0至1.5V時，進行掃速為5mV/s的陽極極化曲線測試；在100%充電狀態下，在相對于Hg/HgO的+500mV的電勢階躍下，進行4000s的電流-時間曲線的測試；
[0019]f、制備的儲氫合金與納米多孔鎳復合材料(HSAs/NPNi)作為鎳氫電池的負極，具有優良的高倍率放電性能。在放電電流密度為SOOOmAg1時，其容量保留率高達43.11%,為單獨母合金電極的3.2倍。
[0020]本發明的技術效果是:
[0021]本發明制得的儲氫合金與納米多孔鎳復合材料(HSAs/NPNi)，由于復合材料中納米多孔鎳獨特的三維雙連續的多孔結構，加快了電子和離子的傳輸速度，加快了電極表面的電化學反應速度和合金內部的氫原子擴散速度，顯著提高了其高倍率放電性能。
【附圖說明】
:
[0022]圖1、不同放電電流密度下的高倍率放電性能曲線。
[0023]圖2、HSAs/NPNi復合材料的制備示意圖和電極片的光學照片，其中:
[0024]a、HSAs/NPNi復合材料的制備方法示意圖；
[0025]b、電化學測試用電極片的光學照片。
[0026]圖3、母合金的SEM照片。
[0027]圖4、HSAs/NPNi復合材料的SEM照片。
[0028]圖5、NPNi 的 SEM 照片。
[0029]圖6、NPNi 的 TEM 照片。
[0030]圖7、NPNi 的 HRTEM 照片。
[0031]圖8、母合金及HSAs/NPNi復合材料的XRD衍射圖譜。
[0032]圖9、在50%放電深度下的線性極化曲線。
[0033]圖10、在50%放電深度下的電化學阻抗圖譜。
[0034]圖11、在50 %放電深度下的陽極極化曲線。
[0035]圖12、陽極電流密度在100%充電狀態下的放電電流-時間曲線。
【具體實施方式】
[0036]下面結合實例說明本發明的【具體實施方式】:
[0037]實施例
[0038]本實施例中的制備過程和步驟如下:
[0039](1)在高純氬氣氣氛中通過電弧熔煉的方法熔煉純度》99.5的鑭、鋪、乾、鎳、鈷、錳、鋁，得到其鑄錠；將鑄錠在氬氣保護氣氛下退火并機械研磨得到母合金的粉末，其平均顆粒直徑為50 μπι ;用簡單的水熱方法制備Ni (0H)2粉末，將1.45g Ni (N03)2，1.4g六次亞甲基四胺(HMT)和35ml超純水的混合物加入到具有聚四氟乙烯內襯的不銹鋼高壓反應釜中。將密封的反應釜放入100°C電烘箱中保溫10h，將綠色產物Ni (0H) 2通過離心收集；
[0040](2)將所制備的附(0!1)2與母合金在瑪瑙研缽中研磨均勻進行集成。將混合物在電烘箱中干燥，然后在管式爐Ar/H2混合氣氣氛中400°C條件下熱還原5h，其中升溫條件是1°C /min，制備HSAs/NPNi復合材料；
[0041 ] (3)將0.25g活性材料，即HSAs/NPNi復合材料或母合金與1.0g羰基鎳粉混合均勻，再由壓片機在8MPa的壓力下壓制成直徑為15mm的電極片，將電極浸在30wt %的Κ0Η溶液中3h，使其在電化學測試前完全浸濕；將此電極片作為工作電極，Ni(0H)2/Ni00H片作為對電極，汞/氧化汞電極作為參比電極，30wt%的Κ0Η溶液為電解質，組成標準的三電極系統進行電化學測試；
[0042](4) HSAs/NPNi復合電極作為工作電極進行放電容量測試是在ARBIN電池測試系統上進行的。在室溫25 °C條件下，電極以60mAg 1 (0.2C)的電流密度充電7.5h，靜置30min，然后以60mAg 1 (0.2C)的電流密度放電至截止電壓相對于Hg/HgO參比電極達到-0.74V，循環4次進行活化，達到最大放電容量C_;完全活化后，進行高倍率放電性能測試，電極以300mAg '(lC)的電流密度充電，然后以 300，600，900，1200，1500, 2400, 3000mAg 1 (10C)的電流密度分別放電至截止電壓:-0.65，-0.6，-0.5，-0.45，-0.4