一种铋/氢氧化镍二次碱性电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铋/氢氧化镍二次碱性电池及其制备方法。本发明专利技术的电池以金属铋为电池的负极活性材料，以氢氧化镍为电池的正极活性材料，以碱溶液为电解质溶液，电池的电压窗口为0.2～1.4V。铋材料的制备为：在一定温度和搅拌条件下，按还原剂与铋离子的一定摩尔比将还原剂溶液滴加到含助剂的铋离子溶液中进行一定时间的反应，反应完成后将产物洗涤和固液分离，再将固体物进行真空干燥制备出铋材料，铋材料为0.005～5μm粒径的金属粉末，其比表面积为5～500m2/g。本发明专利技术的电池在5A/g电流密度下的比容量为254mAh/g。该电池具有大的电容量、良好的循环稳定性、环境友好，是一种具有广阔应用前景的新型化学电源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铋/氢氧化镍二次碱性电池及其制备方法，属于电化学储能

技术介绍
随着工业的发展和人口的增长，人们对能源的需求也日益增长。由于近几十年来人们对化石能源的过度开采，能源逐渐枯竭，所以我们迫切地需要发展新的可再生能源。尽管在当代我们已经发展了多种可再生能源如风能、太阳能水能，但由于这些自然能源的不稳定性，限制了它们的用途，但是我们可以通过能量储存、转移、备份等方法来解决这些问题，其中化学电池由于转换效率高、能量密度高、环境污染少、携带使用方便且能量转换不受卡诺循环限制等特点成为储存能源最好的选择。镍电池是以氢氧化镍为正极的一系列电池，主要包括镍/氢电池、镍/镉电池、镍/铁电池、镍/锌电池等。镍/氢电池具有较高的容量、安全性能好、低记忆效应、工艺成熟等优点，但其负极一般采用稀土储氢合金，导致其成本高及电池装配工艺要求较高；镍/镉电池循环寿命长且贮存性能出色，由于镉的污染，其使用受到极大限制；镍/铁电池具有绿色环保、材料来源丰富、价格低廉、可耐过充过放电等独有的优点，缺点在于其自放电率大、低温性能差；镍/锌电池能快速充放电且成本较低，但锌电极在循环充放过程中容易变形、形成枝晶导致电池内部短路。因此，寻找新型的镍电池负极材料成为镍电池发展的关键。电极是电池最重要的部分，而电极活性材料又是电极最核心的组成部分，决定了电池的性能。我国拥有十分丰富的铋资源，是世界上铋储量最大的国家，目前已探明的铋储量占世界总储量的70％以上。铋，83号元素，是一种具有共价键的典型的半金属元素，铋金属具有近似石墨的层状结构，熔点较低，仅有271℃，而沸点比熔点高1580℃，适宜用液相分散的方法制备纳米铋粉，且铋金属是一种绿色金属，含铋材料已在医药、环保、化妆品、陶瓷、染料、润滑油、功能材料等领域显现出潜在的应用价值。Zeng等[AdvancedMaterials304(2016)1-8.]采用电化学沉积法制备出稳定的单晶态铋单质，并以铋为正极，NiCo2O4为负极，1mol/LKOH为电解液，制备出二次碱性电池，且经10000次循环后容量基本无衰减。Zuo等[Nanomaterials4(2015)1756-1765.]以Ti为基底，采用简单的水热法使制备出的铋单质均匀的分散在Ti基质上，并分别以LiOH或NaOH等为电解液，在三电极体系下，1mol/LKOH溶液中，0.5A/g电流密度下铋电极容量达170mAh/g。TimothyS.Arthur等[ElectrochemistryCommunications16(2012)103-106.]采用电沉积法制备出单质Bi、Sb和Bi1-xSbx合金，并将其应用于Mg离子电池的正极材料。O.Crosnier等[JournalofPowerSources94(2001)169-74.]在Ar-H2气氛下，采用直流电弧等离子技术制备出200nm左右的纯铋纳米粒，并将其用于锂离子电池的正极材料。Shao等[Nanoletters14(2013)255-260.]采用水热法制备出铋纳米管，将其应用于镁离子二次电池正极材料，这种纳米结构的铋电极具有高达350mAh/g的比容量，优越的稳定性及接近100％的库伦效率。Su等[NanoEnergy12(2015)88-95.]采用水热法制备出Bi@石墨烯纳米复合物，将其作为钠离子电池正极材料，在0.01-2.0V范围内，获得的钠储存容量高达561mAh/g。王彦敏等[山东交通学院学报4(2012)67-74.]以硝酸铋为原料，乙二醇为溶剂和还原剂，聚乙烯吡咯唍酮(PVP)为稳定剂，采用溶剂热法制备了单晶铋纳米带。赵彦保等[无机化学学报9(2003)997-1000.]以铋颗粒为起始原料，液体石蜡为溶剂，硬脂酸为修饰剂，采用分散法制备出硬脂酸修饰铋纳米微粒，并对其反应机理进行了研究。王轶等[延边大学学报:自然科学版3(2011)245-248.]以氯化铋为原料，水合肼为还原剂，油酸钠为表面活性剂，采用水相一步还原法制备出高纯度、粒径为20nm近似球形的超细金属铋纳米粒子，并探索了反应温度、还原剂浓度对铋纳米粒子的影响。唐春娟等[材料研究学报3(2011)273-277.]以五水硝酸铋为原料，水合肼为还原剂，CTAB为包覆剂，水和乙二胺为溶剂，详细研究了水和乙二胺的组分变化对产物的形貌和结构的影响。Dai等[ChemicalPhysicsLetters591(2014)126–129.]通过改变表面活性剂的种类，制备出不同形貌的铋纳米粒子，其中采用P123为表面活性剂，能够制备出由六边形纳米棱柱组成的铋纳米花。Kim等[MaterialsChemistryandPhysics153(2015)316-322.]采用碱式碳酸铋为原料，在以四甘醇为溶剂、PVP为包覆剂的溶液中，通过两步煅烧法把直接碱式碳酸铋还原成球形铋纳米粒子。CJTang等[JPhysChemC113(2009)5422-5427.]分别以乙二醇和乙二胺为溶剂，通过溶剂热反应制备出铋纳米线和铋纳米花。Wang等[JPhysChemB110(2006)25702-25706.]通过改变PVP与铋原料的摩尔比，采用多元醇还原法，制备出不同形貌的单晶铋纳米粒子，并且在相同的合成条件下，通过引入痕量的Fe3+，能够把铋纳米立方体转换成铋纳米带。Wang等[JPhysChemB109(2005)7067-7072.]在室温下以DMF为溶剂，氯化铋为铋源，硼氢化钠为还原剂，PVP为封端剂剂，制备出铋纳米粒子。并详细探索了PVP与氯化铋的摩尔比及氯化铋的浓度对铋纳米粒子的尺寸和单分散性的影响。Ma等[ColloidsandSurfacesA:PhysicochemEngAspects395(2012)276-283.]以硝酸铋为铋源，酒石酸为络合剂，NaH2PO2·H2O为还原剂，通过调整酒石酸和氢氧化钠的量，采用液相表面修饰还原法制备出直径10-50nm的铋纳米粒及长度约为10μm宽度约为100nm的铋纳米带。Cheng等[MaterialsLetters63(2009)2239-2242.]采用乙二醇为溶剂，利用多元醇热法，在198℃下回流2小时，制备出铋微球或纳米球，并进一步研究了其可能的生长机理。专利技术专利[申请公开号CN101569934A]公开了“一种金属铋纳米粒的制备方法”，通过混合可溶性铋盐水溶液和修饰剂有机溶液，加入还原剂，搅拌加热回流，制备出粒径分布比较均一的金属铋纳米粒。专利技术专利[申请公开号CN102212880A]公开了“一种Bi单质纳米结构材料及其制备方法与应用”，将表面活性剂、水合肼和铋盐溶于水制备成悬浊液；将所述悬浊液在80～120℃条件下反应18～30h，制备出由片状六方晶相Bi单质为结构单元组成的具有花朵状形貌的纳米颗粒，并将其制备成铋修饰电极，应用于水溶液中的重金属离子检测。专利技术专利[申请公开号CN102717095A]公开了“一种单分散铋纳米颗粒的制备方法”，本专利技术采用乙酸铋作为铋源，油胺或油酸作为包裹剂和表面活性稳定剂，在有机相体系中合成铋纳米颗粒，所制得的铋纳米颗粒具有较高的产率，很好的稳定性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铋/氢氧化镍二次碱性电池，其特征在于，以金属铋材料为电池的负极活性材料，以氢氧化镍材料为电池的正极活性材料，以碱溶液为电解质溶液，电池的电压窗口为0.2～1.4V。

【技术特征摘要】
1.一种铋/氢氧化镍二次碱性电池，其特征在于，以金属铋材料为电池的负极活性材料，以氢氧化镍材料为电池的正极活性材料，以碱溶液为电解质溶液，电池的电压窗口为0.2～1.4V。2.根据权利要求1所述的铋/氢氧化镍二次碱性电池，其特征在于，所述的氢氧化镍材料中所含元素的质量百分比为：镍48～63％、钴0.5～12％、锌0.5～6.5％、铈0～8.5％、其余为氢、氧非金属元素；氢氧化镍材料的比表面积为5～100m2/g，粒径为1～15μm；氢氧化镍材料的松装密度为1.58～1.75g/cm3，振实密度为2.0～2.5g/cm3。3.根据权利要求1或2所述的铋/氢氧化镍二次碱性电池，其特征在于，所述的铋材料为0.005～5μm粒径的金属粉末，其比表面积为5～500m2/g；其制备方法包括如下步骤：(1)将可溶性的铋原料溶于溶剂中，将其配制成铋离子浓度为0.01～5mol/L的铋离子溶液；或者将不溶性的铋原料溶于酸溶液中，配制成铋离子浓度为0.01～5mol/L的铋离子溶液；(2)将还原剂溶解于溶剂中配制成浓度为0.1～16mol/L的还原剂溶液；(3)按助剂与铋离子的摩尔比为(0～10):1，将助剂加入到铋离子溶液中，充分混合；(4)在温度为0～100℃和搅拌条件下，按还原剂与铋离子的摩尔比为(1～100):1将步骤(2)所得还原剂溶液滴加到步骤(3)所得含助剂的铋离子溶液中，滴加完成后，继续搅拌0～360min将产物分别用水和乙醇洗涤，并进行固液分离，将固体物置于真空干燥箱中30～100℃干燥6～36h至恒重制备出铋材料。4.根据权利要求3所述的铋/氢氧化镍二次碱性电池，其特征在于，所述的溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇、丙三醇、聚乙二醇、三乙醇胺、四甘醇、二甲基甲酰胺中一种或两种以上。5.根据权利要求3所述的铋/氢氧化镍二次碱性电池，其特征在于，所述的铋原料，包括金属铋、氧化铋、氢氧化铋、碳酸铋、碱式碳酸铋、硫酸氧铋、硝酸氧铋、硫酸铋、硝酸铋、卤化铋、乙酸铋、柠檬酸铋中的一种或两种以上。6.根据权利要求3所述的铋/氢氧化镍二次碱性电池，其特征在于，所述的酸溶液为盐酸、硫酸、醋酸或硝酸中的一种或两种以上，其浓度为1～10...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘恩辉，蒋海霞，杨锃，王洛，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43