[发明专利]一种高性能碱性电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学电源技术领域，尤其是一种α-氢氧化镍掺杂的高性能碱性电池正极材料及其制备方法。 

背景技术

当前以镍电极为正极的电池包括：镍锌、镍镉、镍氢、镍铁等几种碱性电池，这些碱性电池的正极材料都是采用市售球型氢氧化镍（Ni(OH)₂）作为活性物质，Ni(OH)₂包括α-Ni(OH)₂和β-Ni(OH)₂两种形态，目前镍电极所用的商品氢氧化镍都是β-Ni(OH)₂，α-Ni(OH)₂与β-Ni(OH)₂主要区别在于： 

1.β-Ni(OH)₂在充电过程仅涉及到一个电子转移，因此理论比容量只有289mAh/g，而实际的比能量也达到200-250mAh/g，已经接近理论容量，可提升的空间十分小，这意味着采用β-Ni(OH)₂作为活性物质的电池，体积大、重量高，不利于电池比能量的进一步提升。α-Ni(OH)₂的充放电过程涉及1.67个电子转移，具有482mAh/g的理论比容量，采用α-Ni(OH)₂作为活性物质有利于提高电池比能量，有利于电池小型化，节省原材料使用量，因此研究高能量的α-Ni(OH)₂制备与使用更具有意义。 

2.以β-Ni(OH)₂为电极活性物质时，在过充电或浮充的情况下，会生成密度较小的γ-NiOOH，这种密度差异会造成镍电极在充放电循环中，体积发生变化，进而导致镍电极吸收大量电解液，造成隔膜干涸，镍电极膨胀，不但破坏了活性物质的导电网络，降低了活性物质的利用率，还加速汇流体合金表面的氧化，镍电极膨胀是导致镍系列电池早期失效的主要原因之一。 

3.商品β-Ni(OH)₂的比表面积较低，质子扩散能力与化学活性均比α -Ni(OH)₂低的多，因此采用α-Ni(OH)₂作为电极活性物质的电池，可以大幅度提高电池的充放电能力，更适用于大功率、高倍率放电使用场合，如：混合动力汽车，纯电动巴士的动力电池。 

4.使用β-Ni(OH)₂作为电极材料的电池，活化周期较长，而使用α-Ni(OH)₂充电接受能力较强，可大电流快速充放电，因此在电池活化时，可节省大量电能与时间，设备投资也相应减少，提高电池生产效率并降低充电能耗。 

鉴于α-Ni(OH)₂的诸多优点，人们对α-Ni(OH)₂的掺杂改性、制备工艺、电极配方做了大量研究。目前α-Ni(OH)₂制备方法，都是采用金属离子掺杂法，掺杂氢氧化镍的金属离子有 Al³⁺、Zn²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Co³⁺等，其中钴的价格较高，经济适用性不好；而掺杂铁离子的析α-Ni(OH)₂析氧电位会降低，电极性能受到毒害；锌离子原子量相对较大，降低了电极材料的质量比容量。 

中国专利申请号：200510037576.6公开了“一种纳米α-氢氧化镍及其制备方法”，该方法采用超声波作为辅助条件，以三价铝盐或三价铁盐作为掺杂剂，采用共沉积法制备α-氢氧化镍。然而这种方法制备的α-氢氧化镍在碱性电解液内的稳定性较差，高温自放电较大，制备过程繁琐等诸多缺点，另外三价铁的掺杂还降低了α-氢氧化镍的活性，降低了活性物质利用率，对氢氧化镍电极构成毒化作用； 

中国专利申请号：200510027346.1公布了一种“微波水热法制备a相氢氧化镍的方法”，该方法采用微波作为辅助条件，采用铝离子作为主掺杂剂，采用金属离子M作为副掺杂剂，金属离子M取自Y、Ti、Cr、Sc、La、Co、Fe、In、Zn等金属的金属盐。铝是最常用掺杂a-氢氧化镍的金属元素，但是铝作为掺杂剂有许多缺点，第一，铝不是活性物质，不参与电极反应，因此铝掺杂降低了活性物质含量，不利于电池比能量的提高；第二，铝的掺杂，与氢氧化镍形成 插层化合物，活性物质体积变大，降低了活性物质堆积密度。 

发明内容