一种高性能碱性二次镍铁全电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高性能碱性二次镍铁全电池及其制备方法，属于二次电池技术领域，该全电池由正极、负极和电解质溶液组装而成，其中，正极为负载有氢氧化镍微米球的泡沫镍，所述负极为氧化铁/石墨烯复合物水凝胶。通过合理调控正极上氢氧化镍微米球与氧化铁/石墨烯复合物水凝胶的质量比，使最终组装成的二次镍铁全电池具有高比容量、高能量密度和功率密度，同时具有良好的循环稳定性和较小的内阻。该二次镍铁全电池制备方法简单，原料易得，且对环境友好，可应用于大规模生产。该二次镍铁全电池可被应用于电子产品以及为大型电力设备提供了一种有前途的能量来源方案。

A high performance alkaline two times nickel iron battery and its preparation method

The invention relates to a high-performance alkaline two times nickel iron full cell and a preparation method thereof, belonging to the field of the two battery technology. The battery is assembled by positive electrode, negative electrode and electrolyte solution, wherein the positive electrode is nickel foam loaded with nickel hydroxide microsphere, and the negative electrode is iron oxide / graphene complex hydrogel. By adjusting the mass ratio of nickel hydroxide microspheres on cathode to ferric oxide / graphene composite hydrogel, the final assembled secondary ferronickel batteries have high specific capacity, high energy density and power density, good cycle stability and low internal resistance. The secondary ferronickel battery has the advantages of simple preparation method, easy availability of raw materials and environmental friendliness, and can be used in large-scale production. The secondary ferronickel battery can be used in electronic products and provides a promising energy source for large power equipment.

【技术实现步骤摘要】
一种高性能碱性二次镍铁全电池及其制备方法
本专利技术属于二次电池
，具体涉及一种高性能碱性二次镍铁全电池及其制备方法。
技术介绍
高能量密度和高功率密度的大尺寸可充电电池被广泛应用于电动汽车和大型移动设备中。这种电池具有低成本、长寿命、高安全性和环境友好等优点。锂离子电池和铅酸电池是当前市场上大规模电力的主要来源，但是前者成本效益高而后者具有安全和环境隐患。此外，锂离子电池满足不了大型电力设备的功率和能量需求。作为锂离子电池的补充品，传统的碱性电池具有低成本效益和高安全特性，越来越多的研究都集中在对这种高功率和高能量密度电池的开发和应用上。目前，不同种类的碱性电池已经被报道，诸如MnO2/Zn，NiCoO4/Zn，LiMn2O4/VO2，FeFx/Co(OH)2，Fe/Ni等。这些碱性电池在比能量上已经可以和锂离子电池相媲美。其中，镍铁碱性电池因其具有高能量密度、铁的来源丰富和可回收等优点而广受关注，然而，当前的镍铁碱性电池仍然面临着铁负极性能差、能量密度低及循环寿命短的问题，这就需要更多的努力来改善铁负极的性能。由于铁元素的多重价态和其在负电位窗口丰富的氧化还原反应活性，其氧化物(如FeO、Fe2O3和Fe3O4)成为了镍铁电池有前途的负极材料。但是，尽管氧化铁具有低成本、无毒害和环境友好等优点，由于氧化铁用作电极材料通常表现出较差的导电性(～10-14S/cm)以及在放电过程中容易被氢氧根离子钝化，这两个劣势严重地阻碍了其电荷存储能力。三维的石墨烯水凝胶不仅可以促进电子转移和加速离子扩散，而且也为可逆的氧化还原反应带来了更多的活性位点，因此可以使用这种无需粘结剂和导电剂的水凝胶材料来改善铁负极的性能。然而，当前典型的三维石墨烯水凝胶大多是通过氧化石墨烯的化学还原来制备，这个过程中会使用到有毒的有机试剂(如二甲基甲酰胺、乙二醇、甲醇、丙酮和乙腈等)以及有毒的还原剂(氨水和水合肼等)。这些反应残留物一旦被释放到环境总，将危害人体健康。因此，开发一种新方法来合成氧化铁/石墨烯复合物水凝胶负极及找到一种高性能正极配对材料对环境友好型碱性二次镍铁全电池的制备具有长远意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种高性能碱性二次镍铁全电池，目的之二在于提供一种高性能碱性二次镍铁全电池的制备方法。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：1、一种高性能碱性二次镍铁全电池，所述全电池由正极、负极和电解质溶液组装而成，所述正极为负载有氢氧化镍微米球的泡沫镍，所述负极为氧化铁/石墨烯复合物水凝胶。优选的，所述全电池中氢氧化镍微米球与氧化铁/石墨烯复合物水凝胶的质量比为1:4-4:1。优选的，所述氧化铁/石墨烯复合物水凝胶中氧化铁与石墨烯的质量比为0.04-4:1。优选的，所述电解质溶液为经氮气饱和后的KOH溶液或经氮气饱和后的NaOH溶液中的一种。优选的，所述KOH溶液的浓度为1-7mol/L；所述NaOH溶液的浓度为1-7mol/L。2、所述的一种高性能碱性二次镍铁全电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)制备负载有氢氧化镍微米球的泡沫镍按摩尔比1-2:1-4:4-8将六水合氯化镍、氯化铵和尿素加入水中混匀后得反应液，将所述反应液转移至放置有泡沫镍的反应釜内，在120-180℃下水热反应4-8h后取出所述泡沫镍，经洗涤、干燥后制得负载有氢氧化镍微米球的泡沫镍；(2)制备氧化铁/石墨烯复合物水凝胶在不断搅拌下，按四水合氯化亚铁与氧化石墨烯的质量比10-1:1-10将四水合氯化亚铁加入氧化石墨烯分散液中，超声分散10-30min后获得悬浮液，再按四水合氯化亚铁与三水合乙酸钠质量比1-5:5-1向所述悬浮液中加入三水合乙酸钠，搅拌10-30min后获得混合液，将所述混合液转移至反应釜中在150-200℃下水热反应2-12h，制得氧化铁/石墨烯复合物水凝胶，将所述氧化铁/石墨烯复合物水凝胶冷冻干燥后备用；(3)组装高性能碱性二次镍铁全电池以步骤(1)中制备的负载有氢氧化镍微米球的泡沫镍为正极，步骤(2)中冷冻干燥后的氧化铁/石墨烯复合物水凝胶为负极，加入电解质溶液，组装高性能碱性二次镍铁全电池。优选的，步骤(1)中，所述干燥为在60-100℃下干燥12-24h。优选的，步骤(2)中，在冷冻干燥前还包括将制得的氧化铁/石墨烯复合物水凝胶浸泡于水中10-24h以除去杂质。优选的，制备负载有氢氧化镍微米球的泡沫镍还可按照如下方法进行：按摩尔比1-2:1-4:4-8将六水合氯化镍、氯化铵和尿素加入水中混匀后得反应液，将所述反应液转移至反应釜内，在120-180℃下水热反应4-8h后冷却至室温，过滤获得固相物质，将所述固相物质经洗涤、干燥后制得氢氧化镍微米球粉末，将所述氢氧化镍微米球粉末均匀涂覆在泡沫镍上，获得负载有氢氧化镍微米球的泡沫镍。优选的，所述氢氧化镍微米球粉末均匀涂覆在泡沫镍上的具体操作如下：将所述氢氧化镍微米球粉末与碳黑和粘接剂按质量比8:1:1混合后，均匀涂覆在泡沫镍上。优选的，制备氧化铁/石墨烯复合物水凝胶还可按照如下方法进行：在不断搅拌下，分别按照六水合氯化铁和三水合乙酸钠的质量比为1-5:5-1、六水合氯化铁和氧化石墨烯质量比10-1:1-10，将六水合氯化铁、三水合乙酸钠加入氧化石墨烯分散液中，然后加水稀释并超声分散10-30min后离心、过滤，将滤渣分散于无水乙醇中后置于反应釜中，在150-200℃下水热反应2-12h，制得氧化铁/石墨烯复合物水凝胶，将制得的氧化铁/石墨烯复合物水凝胶浸泡于水中10-24h以除去杂质，然后经冷冻干燥后备用。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供了一种高性能碱性二次镍铁全电池及其制备方法，该二次镍铁全电池以负载有氢氧化镍微米球的泡沫镍为正极，以氧化铁/石墨烯复合物水凝胶为负极，通过合理调控正极上氢氧化镍微米球与氧化铁/石墨烯复合物水凝胶的质量比，使各电极充分利用各自的活性物质而达到最大的容量，使最终组装成的二次镍铁全电池具有高比容量、高能量密度(203Wh/kg)和功率密度(6.4kW/kg)，同时具有良好的循环稳定性(500圈循环后可保留初始容量的82％以上)和较小的内阻。其中，通过合理调控氧化铁/石墨烯复合物水凝胶中氧化铁与石墨烯的质量比，以调整石墨烯片上附着的氧化铁的颗粒大小和间距，进而调整最终制备的复合物水凝胶的孔结构，使最终制备的负极具有理想的孔结构，从而提高材料的强度、比表面积和离子的扩散。同时，石墨烯有利于电子的传递和离子的扩散，氧化铁可逆的氧化还原反应能增大比容量，利用石墨烯与氧化铁的协同作用，极大地提升了铁负极的比容量(在1A/g的电流密度下为304.2mAh/g)、导电性和循环寿命。将氢氧化镍微米球直接生长在泡沫镍基底上，不但能够提升正极的比容量，还能够降低正极的等效串联电阻和电荷转移阻抗。该二次镍铁全电池制备方法简单，原料易得，且对环境友好，可应用于大规模生产。该二次镍铁全电池可被应用于电子产品以及为大型电力设备提供了一种有前途的能量来源方案。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为本专利技术中制备高性能碱性二次镍铁全电池的示意图；图2为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4制备的氧化铁/石本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能碱性二次镍铁全电池，所述全电池由正极、负极和电解质溶液组装而成，其特征在于，所述正极为负载有氢氧化镍微米球的泡沫镍，所述负极为氧化铁/石墨烯复合物水凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种高性能碱性二次镍铁全电池，所述全电池由正极、负极和电解质溶液组装而成，其特征在于，所述正极为负载有氢氧化镍微米球的泡沫镍，所述负极为氧化铁/石墨烯复合物水凝胶。2.如权利要求1所述的一种高性能碱性二次镍铁全电池，其特征在于，所述全电池中氢氧化镍微米球与氧化铁/石墨烯复合物水凝胶的质量比为1:4-4:1。3.如权利要求1所述的一种高性能碱性二次镍铁全电池，其特征在于，所述氧化铁/石墨烯复合物水凝胶中氧化铁与石墨烯的质量比为0.04-4:1。4.如权利要求1所述的一种高性能碱性二次镍铁全电池，其特征在于，所述电解质溶液为经氮气饱和后的KOH溶液或经氮气饱和后的NaOH溶液中的一种。5.如权利要求4所述的一种高性能碱性二次镍铁全电池，其特征在于，所述KOH溶液的浓度为1-7mol/L；所述NaOH溶液的浓度为1-7mol/L。6.权利要求1-5任一项所述的一种高性能碱性二次镍铁全电池的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)制备负载有氢氧化镍微米球的泡沫镍按摩尔比1-2:1-4:4-8将六水合氯化镍、氯化铵和尿素加入水中混匀后得反应液，将所述反应液转移至放置有泡沫镍的反应釜内，在120-180℃下水热反应4-8h后取出所述泡沫镍，经洗涤、干燥后制得负载有氢氧化镍微米球的泡沫镍；(2)制备氧化铁/石墨烯复合物水凝胶在不断搅拌下，按四水合氯化亚铁与氧化石墨烯的质量比10-1:1-10将四水合氯化亚铁加入氧化石墨烯分散液中，超声分散10-30min后获得悬浮液，再按四水合氯化亚铁与三水合乙酸钠质量比1-5:5-1向所述悬浮液中加入三水合乙酸钠，搅拌10-30min后获得混合液，将所述混合液转移至反应釜中在150-200℃下水...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长明，尹富强，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50