Ni-MH電池自上世紀(jì)90年代投入商業(yè)應(yīng)用以來,作為Ni-MH電池負極的儲氫合金電極材料發(fā)展已取得顯著進展。然而,在綠色電動汽車和儲能器件高速發(fā)展的今天,傳統(tǒng)Ni-MH電池由于受限于現(xiàn)有儲氫合金電極容量較低以及水系電解質(zhì)電化學(xué)窗口較窄的缺點,致使鎳氫電池能量密度的提升仍比較緩慢,這極大限制和阻礙了Ni-MH電池的進一步應(yīng)用。因此,探索非傳統(tǒng)儲氫合金的新型高容量儲氫電極負極材料以及與之匹配的具有較寬電化學(xué)窗口的電解液,這對發(fā)展高能量密度的鎳氫電池有著十分重要的意義。基于最近有關(guān)非晶硅材料具有可逆電化學(xué)儲氫性能的初步研究結(jié)果,本文首先通過磁控濺射方法制備非晶硅（a-Si）薄膜材料,探究了非晶硅薄膜的制備工藝,并采用三維輪廓、XRD、XPS、EDS、TEM等表征手段對非晶硅薄膜進行表征。對上述a-Si薄膜在以一定的壓力和溫度下的高純H₂中進行氫化處理,以制備氫化非晶硅（a-Si:H）薄膜,并采用紅外FT-IR光譜等對該a-Si:H薄膜的結(jié)構(gòu)和硅-氫鍵合模式進行分析。最后,以1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽離子液體（[EMIM][Ac]）與醋酸混合組成的質(zhì)子型離子液體為電解質(zhì)... 

【文章來源】：蘭州理工大學(xué)甘肅省

【文章頁數(shù)】：62 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

Ni-MH電池的電化學(xué)原理圖[7]

碩士學(xué)位論文5AB2合金中分別加入10wt.%的AB5和AB3.5合金，雖然改善了催化活性增強了氫擴散，但放電容量分別為310.4mAh·g-1和314.0mAh·g-1。所以AB2儲氫合金電化學(xué)性能難以達到商業(yè)鎳氫電池的需求，沒有在中國日本等鎳氫電池生產(chǎn)大國得到使用。3)超點陣結(jié)構(gòu)儲氫合金A-B型儲氫合金除過單一相的AB2、AB5型合金，還存在獨特的超點陣堆垛結(jié)構(gòu)。在超點陣結(jié)構(gòu)中，Laves相結(jié)構(gòu)單元和CaCu5型結(jié)構(gòu)單元沿著c軸交替堆積排列，根據(jù)兩種結(jié)構(gòu)單元堆垛比例不同，形成了AB3、A2B7、A5B19型儲氫材料[25,26]。Kadir等[27]制備了新型合金RMg2Ni9(R=La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd)，研究發(fā)現(xiàn)該合金晶體結(jié)構(gòu)存在廣泛的重疊排列，其中有2/3與AB2相似，1/3與AB5相似。進一步研究發(fā)現(xiàn)，(La0.65Ca0.35)(Mg1.32Ca0.68)Ni9合金在283K和3.3MPa氫壓下的吸氫量約為1.87wt.%，(Y0.5Ca0.5)(MgCa)Ni9合金在263K和3.3MPa氫壓下的吸氫量約為2wt.%，說明AB3型合金具有是一種有應(yīng)用前景的儲氫材料。Hayakawa等[28]在全面的研究了La-Mg-Ni系合金之后，提出了La-Mg-Ni系合金的結(jié)構(gòu)模型，如圖1.2所示，而且在總結(jié)前任研究成果的基礎(chǔ)上給出了一個總結(jié)含鎂超點陣結(jié)構(gòu)通式[LaMgNi4]·n[LaNi5]（n為堆垛層中LaNi5單元的層數(shù)）。圖1.2La-Mg-Ni系合金的結(jié)構(gòu)模型[28]Kohno等[29]研究La-Mg-Nix(x=3-3.5)之后發(fā)現(xiàn)La0.7Mg0.3Ni2.8Co0.5合金的放電容量可達410mAh·g-1，1.3倍于商用的AB5合金。Pan等[30]通過元素替換，對La0.7Mg0.3(Ni0.85Co0.15)x(x=2.5-5.0)系合金進行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)x=3.5時合金最大放電容量達396mAh·g-1。該系列合金雖然電化學(xué)容量高，但普遍存在的一個問題就是循環(huán)穩(wěn)定性差，一般壽命不超過100次循環(huán)。

非晶硅薄膜的結(jié)構(gòu)分析及作為新型鎳氫電池負極材料的研究6Ma等[31]制備了A5B19型具有Ce5Co19和Pr5Co19雙相結(jié)構(gòu)的La0.8Mg0.2Ni3.8儲氫合金，經(jīng)過測試，最大的放電容量為373mAh·g-1，140次循環(huán)后容量保持率為67%。Liu等[32]通過優(yōu)化制備工藝，在950℃退火后得到具有(La，Mg)5Ni19單相結(jié)構(gòu)的La0.78Mg0.22Ni3.73合金，最大放電容量372mAh·g-1，100次循環(huán)后容量保持率為85.3%。總的來說循環(huán)壽命低是制約超點陣結(jié)構(gòu)儲氫合金發(fā)展的重要原因，雖然已有部分商用，但與市場對長循環(huán)壽命的動力電池的需求還是有一定差距。1.2.2新型鎳氫電池的發(fā)展近年來，科研人員開始轉(zhuǎn)變思路，不在單一的從優(yōu)化改進儲氫合金結(jié)構(gòu)組成來提升鎳氫電池，在新型電解液，新型負極材料的使用上有了更多的思考。傳統(tǒng)鎳氫電池電解液為KOH溶液，因為水系電解液電位窗口僅為1.23V，這也是制約鎳氫電池發(fā)展的一個重要原因。近些年，離子液體的出現(xiàn)為鎳氫電池使用電位窗口更寬的電解液提供了可能。離子液體指在室溫下為熔融態(tài)的鹽，由有機陽離子與有機或無機陰離子構(gòu)成。它的電化學(xué)窗口可達3V以上，大幅度提升了電池的大功率充放電性能；熱分解溫度在200℃以上，而且通過陰陽離子結(jié)構(gòu)、分子量大小的調(diào)控，可以保證離子液體在-90~400℃范圍內(nèi)為液態(tài)，這也使得電池有更寬的工作溫度范圍；另外，具有不可燃性，安全可靠，蒸氣壓低，不揮發(fā)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點，這些都使得離子液體有希望應(yīng)用于鎳氫電池中[33-35]。圖1.3H質(zhì)子在電解質(zhì)溶液中的兩種傳輸機制[36]

【參考文獻】：
期刊論文
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[2]先進鎳氫電池及其關(guān)鍵電極材料[J]. 陳云貴,周萬海,朱丁.  金屬功能材料. 2017(01)
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博士論文
[1]硅納米結(jié)構(gòu)的制備及作為鋰離子電池負極材料的研究[D]. 王超.中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所) 2019
[2]鎳氫電池用高性能儲氫合金的研究[D]. 王常春.吉林大學(xué) 2018

碩士論文
[1]儲氫合金和非晶硅在質(zhì)子型離子液體電解質(zhì)中的電化學(xué)儲氫行為研究[D]. 楊倩.蘭州理工大學(xué) 2019
[2]基于石墨烯/硅納米粒子鋰離子電池負極復(fù)合材料的研究[D]. 沈園方.東南大學(xué) 2017
[3]硅負極活性材料的制備及其性能分析[D]. 陳野川.電子科技大學(xué) 2015
[4]PECVD法制備氫化非晶硅薄膜及其性能研究[D]. 王玉.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010



本文編號：3324485