[发明专利]一种含稀土元素的纳米多相氢氧化镍及其合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镍氢电池正极材料含稀土元素的纳米多相氢氧化镍及其合成方法，属于纳米复合材料和先进能源材料领域。

背景技术

镍氢电池（MH-Ni）是安全、环保、性价比合理的绿色电池，在电动汽车、混合动力车、各类便携式电器等领域都有广泛应用，但作为大功率电源其比容量有待提高。MH-Ni电池的容量由正极容量决定，因此提高其正极材料——氢氧化镍Ni(OH)₂的性能是关键。研究显示，纳米Ni(OH)₂比工业用微米级球镍具有更优异的电化学催化活性、高的放电平台与高的放电容量，但β-Ni(OH)₂的容量已接近理论容量289mAh/g，而α-Ni(OH)₂的实际容量距离理论容量482mAh/g还有较大空间，因此，α-Ni(OH)₂的研究备受关注。但研究发现，α-Ni(OH)₂在强碱中不稳定，容易转变为β-Ni(OH)₂，且振实密度较低，同时纳米颗粒易团聚，分散性差，因此其应用受到很大限制。为了解决稳定性差问题，目前普遍采用的方法是用其它金属离子部分取代镍离子，如用Al、Co、Zn取代Ni等，取得一定成效。关于制备β- Ni(OH)₂和α- Ni(OH)₂的专利已有不少报道，如CN 1313245A、CN 101525162A、CN 101908623A、ZL 200510050318.1、CN 1322677A及CN 1772629A等，但混合相Ni(OH)₂的文献和专利报道很少。罗方承等研究表明，混合相（多相）Ni(OH)₂在碱液中比纯α-Ni(OH)₂结构稳定；专利CN 1356268A采用化学沉淀法合成了掺杂Co/Zn/Mn的纳米多相Ni(OH)₂，但没有给出相应的晶相结构图，对材料的电化学性能也未在说明书中给以任何描述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构稳定、放电比容量高、电化学性能好的镍氢电池正极材料——一种含稀土元素的纳米多相氢氧化镍Ni(OH)₂及其合成方法。含稀土元素的纳米多相Ni(OH)₂是通过掺杂稀土元素钇或镧，使稀土三价离子部分取代二价Ni离子，增加晶体层间负电荷阴离子的吸入，增大正负电荷的库仑力，即增强对阴离子的键合强度，从而达到稳定晶格的目的，同时，较多的阴离子插入晶体层间，使晶体缺陷增多并“撑大”层间距，有利于H⁺和OH^-的传导，增大质子扩散系数，达到提高放电容量和其它电化学性能的目的。

本发明提供的一种含稀土元素的纳米多相Ni(OH)₂的合成方法，合成过程中选用无水碳酸钠Na₂CO₃作为调节反应液pH值的缓冲剂。反应液的pH值是晶相形成的重要因素，pH值主要通过氢氧化钠或氢氧化钾和氨水控制，由于氢氧化钠或氢氧化钾是强碱，少量的加入会产生较大的pH值波动，且容易形成局部过量；而氨水是弱碱，调节作用不明显，如果氨水加入过多，会对环境造成严重影响且浪费资源。Na₂CO₃的碱性介于氢氧化钠或氢氧化钾和氨水之间，能弥补两者的不足，起到缓冲的作用，使反应过程pH值更加容易控制并维持稳定，从而保证生成的纳米颗粒粒度均匀。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供的一种含稀土元素的纳米多相氢氧化镍，掺杂稀土元素是钇或镧，其纳米多相氢氧化镍是由稀土元素钇或镧取代Ni后形成的α-Ni(OH)₂结构和未经取代的β-Ni(OH)₂结构的混合体。

本发明提供的一种含稀土元素的纳米多相氢氧化镍的合成方法，具有如下步骤：

（1）在0.05～1.0mol/l的工业镍盐溶液中，加入一定量的稀土盐溶液，其中Ni²⁺与M³⁺的摩尔比为1:0.03～0.4，其中M³⁺是Y³⁺或La³⁺，同时加入适量分散剂，制成含稀土元素的镍盐混合溶液；