本发明专利技术公开了一种多元掺杂纳米α－Ｎｉ（ＯＨ）２材料及其制备方法，多元掺杂纳米α－Ｎｉ（ＯＨ）２材料是用超声波共沉淀法通过同时掺入２～５种金属离子取代镍离子制备而成的；其将反应容器置入超声波清洗器振动腔内，含多种金属离子的反应物在整个反应过程中都在超声波振动环境中进行，使生成的纳米颗粒不但粒度小、分布窄、分散性好活性高；本发明专利技术制备的四元掺杂的纳米α－Ｎｉ（ＯＨ）２以８ｗｔ．％与工业用微米级球镍混合制成复合电极，其０．５Ｃ放电容量３４６ｍＡｈ／ｇ比０．１Ｃ放电容量还高９ｍＡｈ／ｇ，且放电平台、循环寿命等其它各项电化学性能指标也均优于低元掺杂的电极；用本发明专利技术制备的多元掺杂纳米α－Ｎｉ（ＯＨ）２适合用作镍氢电池正极活性材料，尤其适合应用于电动车、电动工具等大功率可充电电池的正极材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种多元掺杂的α相纳米氢氧化镍及其制备方法，属于纳米复合材 料和先进能源材料领域。
技术介绍
作为镍氢电池正极活性物质的氢氧化镍，有α型和β型两种晶型。由于 β-Ni (OH)2的理论容量仅为289mAh/g，并且过充电时容易发生电极膨胀，而Ci-Ni(OH)2的 理论容量为482mAh/g，且在电极充放电过程中不易发生膨胀，因此近年来受到人们较多的 关注。但是，a-Ni(0H)2在高浓度的碱性电解液中稳定性差，容易转化为P-Ni(OH)2，并且 因其表面悬挂键多，颗粒易团聚，分散性差，因此至今未应用到生产中。解决稳定性问题主 要是采用其他金属离子部分取代镍离子的方法，合成的α-Ni (OH)2在强碱中稳定性提高。 目前单掺杂和二元掺杂的纳米α -Ni (OH)2已有专利报导，如专利ZL 200510050318. 1、CN 1322677Α及CN1772629A等。但是单掺杂或二元(低元)掺杂只适合于低倍率充放电，高倍 率时电极的电化学性能不再稳定，很容易退化，放电容量急剧降低。另一方面，用常规制备 纳米Ci-Ni(OH)2的方法(沉淀法、固相法等)制得的纳米颗粒易团聚，为解决上述两方面 问题，本专利技术提出新的方法。虽然纳米α -Ni (OH)2有很高的活性，但其振实密度低，由于一定规格的电池，其容 积是一定的，故不宜用纯纳米α-Ni (OH)2作电极的活性物质。因此采用以一定比例纳米 Ci-Ni(OH)2掺入到工业用微米级球镍中制成复合镍电极，这样，使纳米Ci-Ni(OH)2的高活 性和工业用球镍的高密度两个优势相互叠加，从而提高电极的放电容量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种粒度均勻、活性高、大电流充放电性能好、耐过充能力 强的多种元素掺杂的纳米α Ni (OH)2材料及其制备方法。针对单元或低元取代α -Ni (OH)2 高倍率电化学性能差的问题，本专利技术提出用同时掺入多种金属元素的方法制备纳米 α -Ni (OH) 2，这种多元掺杂的纳米α -Ni (OH)2具有理想的结构缺陷，它与工业用球镍混合 后，其电极的高倍率充放电性能比低元掺杂时有显著提高。多元掺杂纳米α-Ni (OH)2材料 是由超声波共沉淀法制备而成的，这种方法是把反应容器置入超声波清洗器振动腔内，使 反应物在整个反应过程中都在超声波振动环境中进行，通过超声波空化效应、热效应和机 械效应，加速晶核生成速率并抑制晶粒的聚结和长大，超声波与溶液分散剂的协同作用下， 使生成的纳米α Ni (OH)2颗粒细小、均勻、分散性好且结构稳定。本专利技术提供的一种多元掺杂纳米α -Ni (OH)2材料，同时掺入2 5种金属元素， 掺入的金属元素是Al、Co、Zn、Y、Ca、Cu、Mg、Fe的任意组合，金属离子的总含量占二价镍摩 尔数的5% 60%。本专利技术的实施方案描述如下—、超声波共沉淀法制备多元掺杂纳米α -Ni (OH)2材料的方法具有如下步骤(1)用去离子水配置浓度为0. 05 1. Omol/1的工业镍盐溶液和0. 05 1. Omol/ 1掺杂元素M的盐溶液，其中镍盐是硝酸镍、硫酸镍或氯化镍中的一种，掺杂元素M是Al、 Co、Zn、Y、Ca、Cu、Mg、Fe中的2 5种，金属盐为氯化盐或硝酸盐或硫酸盐，掺杂量的摩尔 比为Mn+/Ni2+ = 5 60% ；再加入占氢氧化镍理论产量 5%质量百分数的分散剂，制 成镍盐的混合溶液；(2)用去离子水配置浓度为0. 1 2. Omol/1的工业苛性碱溶液，将适量的氨水 或铵的苛性碱水溶液加入碱液中，搅拌均勻，制成含氨或铵0. 1 2. Omol/1的苛性碱水溶 液；(3)将步骤(1)和步骤⑵中制成的两种水溶液以每分钟15 30滴速度并流 滴入置于超声波清洗器振动腔内的反应容器中，使整个反应过程都在超声波振动环境中进 行，同时保持反应体系温度、PH值和搅拌速度恒定，其中温度保持在室温 60°C的某个值、 PH值在8 11之间的某个值，搅拌速度在150 1000转/分的某个值；反应物滴加完后， 继续搅拌约5小时直至反应完全，然后静置陈化洗涤过滤，用60 100°C烘干至恒重，取出 研磨得到多元掺杂的纳米α-Ni (OH)2粉体。上述步骤(1)中的分散剂是聚乙二醇或吐温-80中的一种。上述步骤(2)中的工业苛性碱是氢氧化钠或氢氧化钾中的一种。上述步骤(3)中的超声波功率为50 80W，频率为40 IOOKHz。二、复合电极制备及充放电实验步骤(1)将实施方案一制备的多元掺杂纳米α-Ni (OH)2样品以5% 10% (质量比) 与85% 90% (质量比)工业用微米级球镍及导电剂、粘结剂和蒸馏水混合均勻负载到电 极基片上，然后烘干压片制得镍氢电池正极片，负极片制作方法与正极片相同，其浆料是储 氢合金、导电剂、粘结剂和蒸馏水的均勻混合体。(2)将正、负极片与隔膜纸制成三明治型开放式模拟电池，取负极过量，将模拟电 池置于电解液中，电解液为6 8mol/l KOH的水溶液或者6 8mol/l KOH和0. 5 1. Omol/ 1 LiOH的混合溶液。(3)化成以0. IC电流恒流充电，然后0. IC放电至1.0V，室温下进行3次活化，使电池容量达到稳定。(4)充放电设置活化完成后对电极分别进行0. 1C、0. 2C、0. 5C充放电实验。过充 理论容量的10% 20%，再以不同倍率恒流放电至1.0V。设置循环次数100 300。为减 小系统误差和客观条件误差，确保数据可靠，相同条件的电极在同一倍率下同时测5组。三、循环伏安特性(CV)和交流阻抗(EIS)测试步骤(1)用自动灵敏度和不同扫描速度测试正极循环伏安特性，其电压范围为-0. 2 0. 7V。(2)零伏电压条件下测试正极的交流阻抗谱(EIS)，充电状态为100%，频率范围 100 100000Hz。附图说明图1是多元掺杂纳米α -Ni (OH)2样品的X射线衍射(XRD)图谱。a :Co、Al掺杂； b :Co、Al、Y 掺杂；c :Co、Al、Y、Zn 掺杂。图2是c样品的粒度分布图。图3为a、b、c样品分别以8%比例与工业用球镍混合制成的正极A、B、C在0. IV/ s的扫描速度下的循环伏安特性曲线。图4是A、B、C电极在不同扫描速度下测得的循环伏安特性曲线。图5是A、B、C电极氧化峰电流密度随扫描速度的1/2次方变化图形。图6是A、B、C电极的交流阻抗谱。图7是A、B、C电极在0. IC倍率下的充放电曲线。图8是A、B、C电极在0.5C倍率下的充放电曲线。图9是A、B、C电极在0. 5C倍率放电条件下的循环寿命关系。图10是加超声波和未加超声波情况下制得的Co、Al掺杂纳米α -Ni (OH)2样品的 XRD图谱。e为60W超声波条件下制得的样品，f为未加超声波时的样品。图11是不同pH值条件下制备的Co、Al掺杂的纳米α -Ni (OH)2样品的XRD图谱。 样品g、h、i的pH值分别为8、9、10。具体实施例方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细说明，本专利技术并不限于这些实例。实施例1分别制备了二、三、四种金属元素同时掺杂的纳米α-Ni (OH)2粉体，并对其结构、 粒径和电化学性能进行了系统测试分析。(1)样品本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多元掺杂纳米α－Ｎｉ（ＯＨ）↓［２］材料，其特征在于同时掺入２～５种金属元素，掺入的金属元素是Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｙ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｆｅ的任意组合，金属离子的总含量占二价镍摩尔数的５％～６０％。
【技术特征摘要】
一种多元掺杂纳米α Ni(OH)2材料，其特征在于同时掺入2～5种金属元素，掺入的金属元素是Al、Co、Zn、Y、Ca、Cu、Mg、Fe的任意组合，金属离子的总含量占二价镍摩尔数的5％～60％。2.—种权利要求1所述的多元掺杂纳米α-Ni (OH)2材料的制备方法，其特征在于该方 法具有如下步骤(1)用去离子水配置浓度为0.05 1. Omol/1的工业镍盐溶液和0. 05 1. Omol/1掺 杂元素M的盐溶液，其中镍盐是硝酸镍、硫酸镍或氯化镍中的一种，掺杂元素M是Al、Co、Zn、 Y、Ca、Cu、Mg、Fe中的2 5种，金属盐为氯化盐或硝酸盐或硫酸盐，掺杂量的摩尔比为Mn+/ Ni2+ = 5 60% ；再加入占氢氧化镍理论产量 5%质量百分数的分散剂，制成镍盐的 混合溶液；(2)用去离子水配置浓度为0.1 2. Omol/1的工业苛性碱溶液，将适量的氨水或铵的 苛性碱水溶液加入碱液中，搅拌均勻，制成含氨或铵0....
【专利技术属性】
技术研发人员：张仲举，朱燕娟，周焯均，包杰，叶贤聪，伍尚改，郑汉忠，林晓然，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：81[]
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