镍氢动力电池负极关键技术的研究

论文摘要

Ni/MH电池的负极（以下简称MH负极）对镍氢动力电池性能的影响至关重要,MH负极的关键技术包括负极配方、添加剂的选择、电极（活性物质）表面改性、粘合剂和导电剂的选择等方面。本文在综述国内外MH负极关键技术的基础上,利用固相合成的纳米Co3O4作为添加剂,研究了其对AB5型储氢合金性能的影响并探讨了其作用的机理；同时还重点研究了热碱加还原剂处理、不同配方的粘合剂、不同配方的导电剂对AB5型储氢合金性能的影响。重点研究了Co3O4添加剂对MH电极电化学性能的影响,目前关于Co3O4在MH负极做添加剂已有人做了少量研究,但是对其作用的机理不清楚,本文做了详细研究。研究表明,添加Co3O4的储氢合金电极形成了二次放电平台,提高电极放电容量,并且它的加入也减缓合金颗粒氧化过程,改善了电极循环稳定性。ICP、XRD、FTIR和CV测试表明Co3O4是通过溶解-沉积机制在作用的,首先Co3O4在电解液中发生溶解反应,Co（OH）2在充电初期被氧化成导电性很强的CoOOH,而其与Co（OH）2以及Co之间的转换都是可逆的。重点研究了对储氢合金粉进行热碱加还原剂处理对MH电极电化学性能的影响。研究表明,经过碱复合处理后的储氢合金粉表面Ni元素多了3.95%,该富镍层具有较高的电催化活性,CV和EIS测试结果显示表面还原处理明显改善了MH电极表面电催化性能,经碱复合处理后的电极比未处理的电极具有更大的阳极峰面积并且电化学反应阻抗明显减小。处理后电极的比容量、活化性能、倍率充电效率及高倍率放电性能提高；在不同放电倍率下,经过碱复合处理电极的放电平台均要高于未处理电极；对合金粉进行碱复合处理可以显著提高合金电极的低温放电性能。重点研究了不同配方的粘合剂对MH电极电化学性能的影响。研究证明,D006粘合剂配方的MH电极快充能力增强；高倍率放电性能增强；充放电平台性能均要优于D001粘合剂配方的电极,即在不同充电倍率下前者均比后者的充电平台长,出现第二充电平台的时间晚,且平台电压也要低；在不同放电倍率下前者均比后者的放电平台长,且平台电压要高；低温放电性能也优于D001粘合剂配方的电极。PTFE和CMC的联用形成的网络结构使得电化学反应的有效表面积增加,降低了放电电流密度,减少了电极内阻和极化（电化学极化和浓差极化）,而过多的亲水性HPMC抑制了电极附近的H离子的扩散速度,减缓了充电时负极的电极反应速度,加剧了电极的极化。重点研究了不同配方的导电剂对MH电极电化学性能的影响。研究证明,在一定添加范围内,炭黑添加量越高,电极性能越好,主要因为炭黑的高比表面积提高了电极反应的真实面积,减小了电极充放电过程的真实电流密度,减小了电极极化,提高了活性物质利用率。在固定电极性能最优异时导电剂炭黑的添加量时,增加镍粉的用量,发现电极的性能反而下降。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• I电池的基本原理和特点'>1.1 MH/N_I电池的基本原理和特点
• 1.2 HEV用动力电池
• 1.2.1 HEV现状
• 1.2.2 HEV用动力电池特点
• 1.2.3 HEV用电池现状
• 1.3 储氢合金电极添加剂的研究
• 1.4 储氢合金表面处理的研究
• 1.4.1 储氢合金表面的包覆处理
• 1.4.2 储氢合金表面机械化
• 1.4.3 热碱处理
• 1.4.4 氟化处理
• 1.4.5 酸处理
• 1.4.6 在MH电极中添加金属或金属氧化物
• 1.4.7 氢化处理
• 1.4.8 热处理
• 1.4.9 电极表面的高分子修饰
• 1.5 储氢合金粘结剂的研究
• 1.6 本论文工作的内容及意义
• 3O₄的制备及其对AB₅储氢合金性能的影响'>第二章 Co₃O₄的制备及其对AB₅储氢合金性能的影响
• 2.1 实验原料及仪器
• 2.2 实验部分
• 3O₄的制备'>2.2.1 纳米Co₃O₄的制备
• 2.2.2 电极的制备
• 2.2.3 性能测试及分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 形貌和结构分析
• 3O₄对AB₅储氢合金性能的影响'>2.3.2 添加Co₃O₄对AB₅储氢合金性能的影响
• 3O₄作用机理的探讨'>2.4 Co₃O₄作用机理的探讨
• 2.4.1 ICP分析
• 2.4.2 XRD分析
• 2.4.3 FTIR分析
• 2.4.4 循环伏安曲线分析
• 2.5 结论
• 5储氢合金性能的影响'>第三章 表面处理对AB₅储氢合金性能的影响
• 3.1 实验原料及仪器
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 合金的表面碱复合处理
• 3.2.2 电极的制备
• 3.2.3 性能测试与分析
• 3.2.3.1 形貌和结构分析
• 3.2.3.2 恒流充放电测试
• 3.2.3.3 循环伏安和电化学阻抗测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 形貌和结构分析
• 3.3.2 电化学性能分析
• 3.4 结论
• 第四章 粘合剂对碱复合处理后MH电极性能的影响
• 4.1 实验原料及仪器
• 4.2 MH动力电池负极粘结剂的选择
• 4.2.1 HPMC的物化性质
• 4.2.2 CMC的物化性质
• 4.2.3 PTFE的物化性质
• 4.3 不同粘合剂配方负极浆料基本性能
• 4.4 不同粘合剂配方对MH电极电化学性能的影响
• 4.4.1 倍率充电性能
• 4.4.2 倍率放电性能
• 4.4.3 充电电压特性
• 4.4.4 放电电电压特性
• 4.4.5 低温性能
• 4.5 本章结论
• 第五章 导电剂对碱复合处理后MH电极性能的影响
• 5.1 实验原料及仪器
• 5.2 MH动力电池负极导电剂的选择
• 5.3 不同导电剂配方负极浆料基本性能
• 5.4 炭黑对MH电极电化学性能的影响
• 5.4.1 克容量
• 5.4.2 倍率充电性能
• 5.4.3 倍率放电性能
• 5.4.4 充电电压特性
• 5.4.5 放电电压特性
• 5.4.6 低温性能
• 5.5 镍粉对MH电极电化学性能的影响
• 5.5.1 克容量
• 5.5.2 倍率充电性能
• 5.5.3 倍率放电性能
• 5.5.4 充电电压特性
• 5.5.5 放电电压特性
• 5.5.6 高温性能
• 5.5.7 低温性能
• 5.6 结论
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的科研成果
• 发表论文