[發(fā)明專利]一種鎳鋅電池正極材料及其制備方法

在審

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• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN113113596A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 佟偉;張少君;熊廣友;王兆坤;張振;梁寒
• 申請（專利權(quán)）人: 山東交通學院
• 主分類號: H01M4/52
• 分類號: H01M4/52;H01M10/30;H01M10/42
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本發(fā)明通過化學共沉降法制備一種低成本、高性能、高容量、電化學性能良好的鎳鋅電池正極材料，通過向鎳正極材料中添加一定量的石墨烯、鈷元素、羧甲基纖維素鈉、聚四氟乙烯乳液，向電解液中加入適量的氫氧化鈣粉末，得到一種新型的鎳鋅電池正極材料，以此來防止鎳電極析氧膨脹和α相正極活性材料轉(zhuǎn)化為β相，放電深度可達84.38％，放電比容量最大為345mAh/g，200次循環(huán)之后充電中值電壓趨于穩(wěn)定，摻雜鈷的正極材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和放電容量，提升了鎳鋅電池放電比容量等電化學性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電池電極材料的制造領(lǐng)域，具體涉及一種低成本、高性能、高容量、電化學性能良好的鎳鋅電池正極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著人類文明的不斷進步，能源在世界舞臺上扮演的角色越來越不可或缺，在世界經(jīng)濟上也有著至關(guān)重要的作用，甚至直接決定著國家經(jīng)濟的安全。不可再生的傳統(tǒng)礦石能源供不應(yīng)求，更不可能是取之不盡，用之不竭的。所以，如何開發(fā)研制高效的，可持續(xù)的能源成為重中之重。而化學電源是較好的替代品，它具有明顯的優(yōu)勢——能量利用率較高，是一種清潔能源，能夠較好的實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)如今科技飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品日新月異，高效環(huán)保、安全可靠、攜帶便捷的能源更符合當下可持續(xù)發(fā)展的理念，而化學電源恰恰符合人們的生活需要，從而受到了人們的青睞。目前，已經(jīng)有各種各樣的化學電源誕生了，其中以鋰離子電池、燃料電池、鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池等為主，它們都是我們生活中比較常用的化學電源。不過上述的化學電源都或多或少有著各自的短板，在使用過程中有著一些難以改善的缺點。例如鋰離子電池使用存在危險；燃料電池的價格昂貴，技術(shù)設(shè)備還遠遠算不上完備；鉛酸電池體積大，重量足且對環(huán)境有污染，具有較低的比能量密度；鎳氫電池因其循環(huán)性受溫度影響而不能適應(yīng)高溫環(huán)境，其自放電能力與氫氣的壓力成正比關(guān)系，且體積能量密度比較低，又具有極高的研發(fā)成本；鎳鉻電池則會造成嚴重的污染，又存在記憶效應(yīng)，實在不符合現(xiàn)在可持續(xù)發(fā)展的需求。就是由于上述電池的種種劣勢，鎳鋅電池便應(yīng)運而生，憑借其價格親民、環(huán)保無害、物美價廉成為了科學家的寵兒，即使鎳鋅電池“登陸”中國的時間不長，研發(fā)較晚，但在政府的大力扶持和科研人員的辛勤努力下，這一研究在國內(nèi)的企業(yè)和高校中都取得了不俗的進步。而現(xiàn)如今，成為中國汽車理想動力電源的鎳鋅電池正在飛速發(fā)展。

氫氧化鎳是鎳鋅電池使用最頻繁的正極活性物質(zhì)，普遍使用的正極材料是β-氫氧化鎳，但是它的實際比容量已經(jīng)特別接近其理論比容量，所以相對來說開發(fā)價值和研究意義較低。α-氫氧化鎳正極材料在充放電時平均每個鎳原子轉(zhuǎn)移電子數(shù)是β-氫氧化鎳樣品1.7倍，其理論比容量也遠遠高于β-氫氧化鎳，電池容量大小與鎳正極的電化學性能息息相關(guān)，其容量隨著其正極電化學性能的升高而增大，因此α-氫氧化鎳正極材料則具有廣闊的發(fā)展前景和上限極高的研究意義和開發(fā)價值，鎳鋅電池反應(yīng)式如下：

正極反應(yīng)：2Ni(OH)₂+2OH^--2e^-→2NiOOH+2H₂O

負極反應(yīng)：

總反應(yīng)式：

鎳鋅電池也存在許多不足之處，比如鎳正極易發(fā)生膨脹及毒化現(xiàn)象；α相正極活性材料雖然容量高，但易轉(zhuǎn)化為β相；還有鋅負極容易產(chǎn)生鋅酸鹽固體或枝晶，它們可以阻礙氧化還原反應(yīng)的進行，使得隔膜被枝晶破壞，導(dǎo)致電池短路。這些缺點均使得鎳鋅容量損失大，電池效率低。而正極析氧、負極析氫的麻煩也往往在過充情況下產(chǎn)生。石墨烯一種以sp²雜化連接的單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料具有優(yōu)異的光學、電學、力學等特性是一種良好的導(dǎo)電材料，在作為電池的正負極材料可提高電池的倍率性能和循環(huán)效率、電位高且穩(wěn)定、無毒害、制作成本低等優(yōu)點，在電池新型電極材料的開發(fā)研究領(lǐng)域具有廣闊的前景。

本發(fā)明通過化學共沉降法制備鎳正極材料，通過向鎳正極材料中添加一定量的石墨烯、鈷元素、羧甲基纖維素鈉、聚四氟乙烯乳液，向電解液中加入適量的氫氧化鈣粉末，以此來防止鎳電極析氧膨脹和α相正極活性材料轉(zhuǎn)化為β相，從而提升正極的電化學性能。

發(fā)明內(nèi)容