高倍率贮氢合金电极的制备及电化学性能研究

论文摘要

本文提出采用低温烧结及在贮氢合金电极中添加Co3O4的两种方法来改善AB5型贮氢合金电极的高倍率性能。采用XRD、SEM、EDX、BET和恒电流充放电,循环伏安以及电化学阻抗等电化学测试手段,研究了不同烧结温度（300℃～700℃）以及时间（0.5 h～5 h）处理的贮氢合金电极的电化学性能和不同Co3O4添加量（2 wt.%～8wt.%）的贮氢合金电极的电化学性能,尤其是两者的电化学动力学性能,初步探讨烧结机理以及Co3O4的作用机理,以求探索出能有效提高贮氢合金电极的高倍率性能的处理方法来满足MH/Ni动力电池发展需要。本文首先研究了烧结温度（300℃～700℃）对于贮氢合金电极电化学性能的影响,研究表明,随着烧结温度的升高,烧结贮氢合金电极的最大放电容量以及放电平台电压逐渐降低,300℃烧结电极放电容量和中值电位最高；极化电阻Rp、电荷转移电阻Pct逐渐增大,交换电流密度I0逐渐减小,烧结温度为300℃时候,Rp和Rct较未烧结合金电极分别降低34.7%和67.5%,I0提高53.0%；阳极极化和电位阶跃测试结果表明,烧结处理后,合金电极的氢扩散系数D明显增大,但随烧结温度升高呈先增大后减小趋势。合金电极的大倍率放电性能的变化规律跟上述几个动力学参数的变化规律基本一致,300℃烧结电极的大倍率性能最好,以1500 mA·g-1电流密度放电时,其HRD值较未烧结电极提高20.92%。研究了300℃不同烧结时间（0.5 h～5 h）对于贮氢合金电极电化学性能的影响。结果表明,烧结电极的活化性能以及放电容量随烧结时间延长逐渐降低,放电平台电压先增大后略有减小,烧结1 h电极放电中值电位最高；Rp和Rct均逐渐增大,I0逐渐减小；阳极极化测试表明,各烧结电极IL均要大于未烧结电极且随烧结时间延长呈先增大后减小的趋势,电极的氢扩散系数也符合这个规律。烧结电极的高倍率放电性能明显优于未烧结合金电极,随烧结时间增加,HRD值呈先增大后减小趋势,烧结1h电极性能最好,以1500mA·g-1电流密度放电时,其HRD值较未烧结电极提高20.92%。研究了不同Co3O4添加量的贮氢合金电极的电化学性能并初步探讨其作用机理。结果表明,添加Co3O4的贮氢合金电极具有较好的活化性能和较高的放电容量,Co3O4添加量越高,电极活化性能越好,放电容量越高,循环稳定性越好；添加Co3O4电极在放电末期1.15 V附近出现2次放电平台,随Co3O4添加量增大,2次放电平台愈加明显,平台电压增高；添加Co3O4贮氢合金电极Rp和Rct减小,10增大,电极表面的电催化活性提高,氢扩散速度加快,电极高倍率性能得到改善,Co3O4添加量越多,HRD值越大,以1500 mA·g-1电流密度放电时,添加8wt.%电极HRD比空白电极提高11.1%。添加Co3O4的贮氢合金电极的循环伏安曲线在阳极分支—0.7V附近出现Co→Co（OH）2氧化峰,峰电流随Co3O4添加量增大而增大。SEM和EDX测试表明,添加的Co3O4在电极表面分布较为均匀,通过电极反应在贮氢合金表明形成了含Co层,有利于增加电极放电容量和提高倍率性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 Ni/MH动力电池
• 1.1.1 Ni/MH电池工作原理
• 1.1.2 Ni/MH动力电池发展背景
• 1.1.3 MH/Ni动力电池发展现状
• 1.1.4 MH/Ni动力电池发展趋势
• 1.2 提高贮氢合金电极高倍率性能的方法
• 1.2.1 贮氢合金电极放电动力学
• 1.2.2 提高贮氢合金电极高倍率性能的方法
• 1.3 贮氢合金电极的烧结处理
• 1.3.1 烧结的基本过程
• 1.3.2 低温烧结贮氢合金电极
• 1.4 MH/Ni电极负极添加剂的研究
• 1.4.1 添加剂的类型
• 1.4.2 负极添加剂的研究现状
• 1.5 本文的研究目的和内容
• 第二章 实验原理与方法
• 2.1 实验主要原料、试剂与仪器
• 2.2 实验电极的制备
• 2.2.1 烧结式贮氢合金电极制备
• 2.2.2 掺杂四氧化三钻电极的制备
• 2.3 电化学性能测试方法
• 2.3.1 电化学测试装置
• 2.3.2 电化学性能测试
• 2.4 结构分析与表征
• 2.4.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.4.2 扫描电镜（SEM）与能谱分析（EDX）
• 5型稀土基贮氢合金电极'>第三章 低温烧结处理AB₅型稀土基贮氢合金电极
• 3.1 烧结温度对贮氢合金电极性能的影响
• 3.1.1 不同烧结温度贮氢合金电极的电化学性能
• 3.1.2 不同烧结温度贮氢合金电极的电化学动力学性能
• 3.1.3 不同烧结温度贮氢合金电极的大倍率性能
• 3.2 300℃不同烧结时间对贮氢合金电极性能的影响
• 3.2.1 300℃不同烧结时间贮氢合金电极的电化学性能
• 3.2.2 300℃不同烧结时间贮氢合金电极的电化学动力学性能
• 3.2.3 300℃不同烧结时间贮氢合金电极的高倍率性能
• 3.2.4 300℃烧结1h电极的物理测试分析
• 3.3 本章小结
• 5型贮氢合金电极添加Co₃O₄的电化学性能'>第四章 AB₅型贮氢合金电极添加Co₃O₄的电化学性能
• 3O₄的物理表征'>4.1 Co₃O₄的物理表征
• 3O₄添加量的贮氢合金电极电化学性能'>4.2 不同Co₃O₄添加量的贮氢合金电极电化学性能
• 4.2.1 掺杂电极的活化性能与最大放电容量
• 4.2.2 贮氢合金电极的循环性能
• 4.2.3 贮氢合金电极的放电电压特性
• 4.2.4 线性极化与电化学阻抗
• 4.2.5 阳极极化与极限电流密度
• 4.2.6 高倍率性能
• 3O₄作用机理的初步探讨'>4.3 Co₃O₄作用机理的初步探讨
• 4.3.1 循环伏安曲线分析
• 4.3.2 SEM及EDX分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文