一種單壁納米碳管可充電池電極及其製備方法

2023-09-13 13:50:15 3

專利名稱：一種單壁納米碳管可充電池電極及其製備方法
技術領域：
本發明涉電池技術，特別提供了一種新型的可充電池電極及其製備方法。
隨著人類對礦物能源的過度開採與大量使用，礦物能源儲備日漸短缺、環境汙染日益嚴重，迫切要求一種新的替代能源。氫能具有零汙染和可再生的獨特優點，被認為是現有以碳為基礎的能源工業最理想的替代者。但是阻礙氫能規模利用的主要障礙是缺乏一種方便、高效的儲存系統，儲氫材料正是在這樣的背景下產生的，並得以迅猛發展。
1886年美國現代化學奠基人Thamas Graham發現金屬鈀能夠大量吸氫。一個世紀以後，直到1968年美國Brookhaven國立研究所率先在儲氫合金的研究上獲得成功，發現了Mg2Ni合金也具有儲氫性能。1970年荷蘭菲利普研究所發現了LaNi5的儲氫性能。與此同時，美國的Brookhaven國立研究所又發現了FeTi儲氫合金，從而揭開了儲氫合金研究的新篇章。其中研究較多、技術相對成熟的LaNi5已被成功應用於Ni-MH可充電池，其他合金材料的應用也在研究中，但金屬合金儲氫材料存在儲氫容量低或放氫條件苛刻等問題，難以實現在燃料電池、高容量可充電池等氫能規模利用方面的應用。
本發明的目的在於提供一種單壁納米碳管可充電池電極及其製備方法，其具有很高的電化學容量及很高的循環使用壽命。
本發明提供了一種單壁納米碳管可充電池電極，其特徵在於以氫電弧法製備的單壁納米碳管作為電極的電化學儲氫材料，含量為10～98wt.％，其餘是作為骨架材料的泡沫鎳及不可避免的雜質；電極的宏觀密度為1000～6000kg/m3；
其中所述單壁納米碳管平均直徑在1.85nm，其純度為50～75wt.％，Ni為10～20wt.％，Fe為1～5wt.％，Co為1～5wt.％，其它為石墨粉、無定形碳及不可避免的雜質。
本發明還提供上述單壁納米碳管可充電池電極的製備方法，其特徵在於首先採用專利申請號為99113021.9的氫電弧法製備平均直徑在1.85nm的單壁納米碳管；所製得的單壁納米碳管不經提純和任何處理直接壓在泡沫鎳上成型。
本發明提供了一種新型的可充電池電極，即採用申請號為99113021.9的氫電弧法製備的單壁納米碳管作為電極的電化學儲氫材料，其平均直徑大(1.85nm，其它研究者製備的樣品平均直徑一般為1.4nm)，氫分子可以在單壁納米碳管中大量凝聚，從而與現有的合金電極比具有很高的電化學儲氫能力；另外採用申請號為99113021.9的氫電弧法製備的單壁納米碳管，純度可達50～75wt.％，每10～20根單壁納米碳管聚集成束狀，宏觀定向成繩，長達數釐米，具有良好的導電性和成型性，因而可以不經過提純和任何處理，不需粘結劑直接壓製成電極。本發明中所用樣品量大，下述實施例中所用樣品的量均在50mg以上，實驗數據重現性好。
以本發明電極作為工作電極，Hg/HgO作為參比電極，6MKOH為電解液，NiOH為輔助電極，然後進行電化學儲氫實驗，其電化學容量可達到503mAh/g(按活性物質單壁納米碳管重量計算，下同)，相當於氣相儲氫重量百分比為1.8wt.％，100個充放電循環後容量仍維持在最高容量的80％以上。可以預見如果優化單壁納米碳管的製備工藝，製備出更高質量的單壁納米碳管，優化單壁納米碳管電極的成型條件和充放電制度，將更能展現單壁納米碳管作為電化學儲氫材料的美好前景。
下面通過實施例詳述本發明。
附

圖1.單壁納米碳管的電化學儲氫實驗示意圖附圖2.單壁納米碳管的透射電鏡照片附圖3.單壁納米碳管電極的電壓與時間的曲線附圖4.單壁納米碳管電極的循環壽命曲線實施例1電化學儲氫實驗如附圖1。其中1為工作電極，2為參比電極，3為輔助電極。
取用專利號為99113021.9的方法製得的，平均直徑大約為1.85nm的單壁納米碳管300mg，未經處理直接以25mg泡沫鎳為基體壓製成型，密度為6000kg/cm3，所得到單壁納米碳管電極用作工作電極，Hg/HgO作為參比電極，6MKOH為電解液，NiOH為輔助電極，電解池的溫度為25℃。單壁納米碳管電極的循環壽命實驗以500mA/g的電流密度進行充放電，放電時截止電位為-0.4V(vs.Hg/HgO)。單壁納米碳管的最高電化學儲氫量為503.4mAh/g。
實施例2電化學儲氫實驗如附圖1。
取用專利號為99113021.9的方法製得的，平均直徑大約為1.85nm的單壁納米碳管200mg，未經處理直接以25mg泡沫鎳為基體壓製成型，密度為4000kg/cm3，所得到單壁納米碳管電極用作工作電極，Hg/HgO作為參比電極，6MKOH為電解液，NiOH為輔助電極，電解池的溫度為25℃。單壁納米碳管電極的循環壽命實驗以500mA/g的電流密度進行充放電，放電時截止電位為-0.4V(vs.Hg/HgO)。單壁納米碳管的最高電化學儲氫量為503mAh/g。
實施例3電化學儲氫實驗如附圖1。
取用專利號為99113021.9的方法製得的，平均直徑大約為1.85nm的單壁納米碳管160mg，未經處理直接以25mg泡沫鎳為基體壓製成型，密度為3500kg/cm3，所得到單壁納米碳管電極用作工作電極，Hg/HgO作為參比電極，6MKOH為電解液，NiOH為輔助電極，電解池的溫度為25℃。單壁納米碳管電極的循環壽命實驗以400mA/g的電流密度進行充放電，放電時截止電位為-0.4V(vs.Hg/HgO)。單壁納米碳管的最高電化學儲氫量為502.8mAh/g。
實施例4電化學儲氫實驗如附圖1。
取用專利號為99113021.9的方法製得的，平均直徑大約為1.85nm的單壁納米碳管100mg，未經處理直接以25mg泡沫鎳為基體壓製成型，密度為2000kg/cm3，所得到單壁納米碳管電極用作工作電極，Hg/HgO作為參比電極，6MKOH為電解液，NiOH為輔助電極，電解池的溫度為25℃。單壁納米碳管電極的循環壽命實驗以500mA/g的電流密度進行充放電，放電時截止電位為-0.4V(vs.Hg/HgO)。單壁納米碳管的最高電化學儲氫量為502mAh/g。。
實施例5電化學儲氫實驗如附圖1。
取用專利號為99113021.9的方法製得的，平均直徑大約為1.85nm的單壁納米碳管80mg，未經處理直接以25mg泡沫鎳為基體壓製成型，密度為2000kg/cm3，所得到單壁納米碳管電極用作工作電極，Hg/HgO作為參比電極，6MKOH為電解液，NiOH為輔助電極，電解池的溫度為25℃。單壁納米碳管電極的循環壽命實驗以500mA/g的電流密度進行充放電，放電時截止電位為-0.4V(vs.Hg/HgO)。單壁納米碳管的最高電化學儲氫量為501.3mAh/g。
實施例6電化學儲氫實驗如附圖1。
取用專利號為99113021.9的方法製得的，平均直徑大約為1.85nm的單壁納米碳管50mg，未經處理直接以25mg泡沫鎳為基體壓製成型，密度為3500kg/cm3，所得到單壁納米碳管電極用作工作電極，Hg/HgO作為參比電極，6MKOH為電解液，NiOH為輔助電極，電解池的溫度為25℃。單壁納米碳管電極的循環壽命實驗以500mA/g的電流密度進行充放電，放電時截止電位為-0.4V(vs.Hg/HgO)。單壁納米碳管的最高電化學儲氫量為501mAh/g。
權利要求
1.一種單壁納米碳管可充電池電極，其特徵在於以氫電弧法製備的單壁納米碳管作為電極的電化學儲氫材料。
2.按照權利要求1所述單壁納米碳管可充電池電極，其特徵在於所述單壁納米碳管的含量為10～98wt.％，其餘是作為骨架材料的泡沫鎳及不可避免的雜質；電極的宏觀密度為1000～6000kg/m3。
3.按照權利要求1或2所述單壁納米碳管可充電池電極，其特徵在於其中所述單壁納米碳管平均直徑在1.85nm，其純度為50～75wt.％，Ni為10～20wt.％，Fe為1～5wt.％，Co為1～5wt.％，其它為石墨粉、無定形碳及不可避免的雜質。
4.一種權利要求1所述單壁納米碳管可充電池電極的製備方法，其特徵在於首先採用專利申請號為99113021.9的氫電弧法製備平均直徑在1.85nm的單壁納米碳管；所製得的單壁納米碳管不經提純和任何處理直接壓在泡沫鎳上成型。
全文摘要
一種單壁納米碳管可充電池電極,其特徵在於以氫電弧法製備的單壁納米碳管作為電極的電化學儲氫材料含量為10～98wt%,其餘是作為骨架材料的泡沫鎳及不可避免的雜質;電極的宏觀密度為1000～6000kg/m
文檔編號H01M4/58GK1387269SQ0111394
公開日2002年12月25日 申請日期2001年5月22日 優先權日2001年5月22日
發明者成會明, 戴貴平, 陳德敏, 劉敏, 侯鵬翔, 劉暢, 白朔 申請人:中國科學院金屬研究所