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摘 要

近年来，在镍氢电池正极材料中使用较为普遍的β-Ni(OH)₂的容量已接近其理论值，其比容量也相对较低，且过度充电时，容易形成γ-NiOOH，导致正极中出现不希望的体积膨胀，这会显著降低 MH-Ni电池在循环过程中的放电性能。因此，必须进一步研究开发更高容量的镍氢电池正极材料用以满足镍氢电池（MH-Ni）的实际发展需求。目前，α-Ni(OH)₂因其较高的理论比容量（482 mAh /g）而受到研究者们的关注。制备稳定结构的α-Ni(OH)₂的方法也有很多种，这里主要通过引入金属离子，制备双金属氢氧化物水滑石材料来改性α-Ni(OH)₂。本文旨在通过引入Fe³ 部分替代晶格中的Ni² ，以提高α-Ni(OH)₂晶格结构的稳定性而使其能稳定存在于强碱溶液中。实验采用X射线衍射表征氢氧化镍电极材料的相成分，采用LAND电池测试仪，电化学工作站等探究镍基正极材料的循环稳定型与循环伏安特性。实验结果表明，制备出的Ni-Fe LDHs样品纯且具有良好的氧化还原可逆性；与纯的α-Ni(OH)₂的综合电化学性能比较，通过掺杂三价Fe离子制备的Ni-Fe LDHs其循环稳定性得到了显著提高，电化学动力学性能也得到了显著改善。同时，与Ni，Fe比在4:1的Ni-Fe LDHs相比，Ni，Fe比在5:1的Ni-Fe LDHs正极材料最大放电容量更高，电极的极化更小，电化学性能更佳。

关键词：镍氢电池 α-Ni(OH)₂ Ni-Fe LDHs

Preparation and electrochemical performance of Nickel-Iron Hydrotalcite cathode material for Ni-MH Battery

Abstract

In recent years, the capacity of β-Ni(OH)₂, which is widely used in cathode materials for nickel-metal hydride batteries, has approached its theoretical value, and its specific capacity is also relatively low. Moreover, it is easy to form γ-NiOOH when overcharging, resulting in unexpected volume expansion in the cathode, which significantly reduces the discharge performance of the MH-Ni battery during cycling. Therefore, it is necessary to further research and develop higher capacity cathode materials for nickel-metal hydride batteries to meet the actual development needs of nickel-metal hydride batteries (MH-Ni). At present, α-Ni(OH)₂ has attracted much attention of researchers due to its higher theoretical specific capacity (482 mAh/g). There are many methods for preparing α-Ni(OH)₂ with a stable structure. Here, α-Ni(OH)₂ is modified by introducing metal ions to prepare a bimetallic hydroxide hydrotalcite material. This paper aims to improve the stability of lattice structure of α-Ni(OH)₂ by introducing Fe³ to partially replace Ni² in the lattice, so that it can exist stably in strong alkaline solution. The experiment used X-ray diffraction to characterize the phase composition of the nickel hydroxide electrode material. The LAND battery tester and electrochemical workstation were used to explore the cyclic stability and cyclic voltammetry characteristics of the nickel-based cathode material. The experimental results show that the prepared Ni-Fe LDHs samples are pure and have good redox reversibility. Compared with the comprehensive electrochemical performance of pure α-Ni(OH)₂, the cycle stability of Ni-Fe LDHs prepared by doping trivalent Fe ions has been significantly improved, and the electrochemical kinetics has also been significantly improved. At the same time, compared with Ni-Fe LDHs with a Ni:Fe ratio of 4:1, Ni-Fe LDHs with a Ni:Fe ratio of 5:1 has a higher maximum discharge capacity, less polarization of the electrode, and better electrochemical performance.

Key words: Ni-MH battery, α-nickel hydroxide, Ni-Fe LDHs

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 引言 2

1.2 镍氢电池（Ni/MH）国内外发展动态 2

1.3 镍氢电池（Ni/MH）工作原理 4

1.4 氢氧化镍正极材料 5

1.4.1 氢氧化镍电极的晶体结构 5

1.4.2 氢氧化镍电极的反应机理 7

1.4.3氢氧化镍电极的制备方法 8

1.5镍基氢氧化物的研究进展 9

1.6本课题的研究内容以及意义 11

1.6.1研究内容 11

1.6.2研究意义 11

第二章 实验部分 12

2.1 实验原料及设备 12

2.1.1 原料 12

2.1.2 实验设备 12

2.2实验方法 12

2.3分析与表征 13

2.3.1 X射线衍射分析（XRD） 13

2.3.2 Land电池测试仪 14

2.3.3电化学工作站 14

第三章 结果与讨论 16

3.1 试样制备 16

3.2 X射线衍射测试 16

3.3 循环稳定性测试 17

3.4 循环伏安测试 18

3.5 交流阻抗测试 20

第四章 结果与展望 21

参考文献 23

致 谢 26

第一章 绪论

1.1 引言

能源与人类的发展息息相关。在新中国成立的几十年里，我国大力发展轻工业、重工业，国民经济得到了质的飞跃，但与此同时也面临着矿物资源过度开采所带来的资源不足，环境问题等。目前，地球上已知的数千种矿物构成了多样化且丰富化的矿产资源。矿产资源应用范围极广，如：农业生产资料，工业原材料，能源等方面。但是，地球上的矿物资源储藏也是有限的。人类一边在不断消耗矿物资源，一边也在因为矿物资源的消耗而对自然环境和人类社会造成重大污染。例如，过量化石燃料的燃烧会导致二氧化硫、氮氧化物等的产生，当产生的二氧化硫或者氮氧化物与雨水结合时就会形成酸雨，对自然环境造成极大的污染；二氧化碳所产生的温室效应已经成为近年来人们讨论的重中之重。而在交通运输业，化石燃料供应的快速消耗加上环境问题的日益增长，使得人们对绿色安全、清洁高效的二次可再生清洁能源的需求不断增长。而在这些能源中，二次电池作为一种能源的载体有着不可磨灭的作用。与此同时，交通工具的发展中面临的一个巨大挑战是如何实现高效，环保，低成本且长寿命的电化学能量转换和存储设备，包括电池，燃料电池，电容器等^[1]。而其中最简单有效的存储技术就是电池。

现在已经开发出的电池种类有很多，例如碱性镉镍电池、锌锰电池、锂离子电池、锌锰干电池和镍氢电池等。其中Ni/MH电池被认为是便携式电动工具例如电动车、混合动力汽车、充电式混合动力汽车最佳的可充电电池，它有以下主要优点^[2]：（1）高功率系数和功率密度，（2）30 mAh~250 Ah的电池容量范围，（3）安全的使用电压（320 V），（4）充电和放电的安全性，包括能够忍受过充电和过放电，（5）免维护，（6）优良的热性能，（7）简单和廉价的充电和电子控制电路，（8）环保兼容性和可回收材料。因此，镍氢电池在市场上占有一席之地。

1.2 镍氢电池（Ni/MH）国内外发展动态

镍氢电池由于功率大、容量高、对环境友好等优势而受到研究人员的广泛关注，被认为是可取代镍镉电池的新型二次电池。首先，镍氢电池的容量要比镍镉电池高出许多，而且更重要的是，镍氢电池中不含有有毒物质、不会污染自然环境并且能够进行快速充电。其次，镍氢电池的工作电压与镍镉电池的工作电压十分相近而使其能够替代镍镉电池，其工作电压大约为 1.2 V。最后，镍氢电池的质量密度（95 Wh/kg）和功率密度（900 W/kg）均高于镍镉电池，从而镍氢电池能够储存更高的能量，且能够适应在-40 ºC 至 55 ºC 下的工作温度，循环寿命也能够高于 1000 次^[3-5]。

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