专利名称：纳米级羟基氧化镍及其制备方法
技术领域：
本发明涉及电池材料领域，更详细地是锌镍一次电池、锌镍二次电池以及其它以镍的化合物为活性物质的电池如镉镍电池、金属氢化物镍电池、铁镍电池等的正极材料羟基氧化镍的制备方法。
本发明还涉及该方法制备的纳米级羟基氧化镍。
夏熙等(详见《电池》，Vol.32，No.1，2002)采用固相氧化法制备了纳米级羟基氧化镍β-NiOOH粉体样品，并对其有关的物理性质及电化学性能进行了表征。该纳米级β-NiOOH的制备方法如下按摩尔比为1∶2分别准确称取已经充分研细的NiSO4·7H2O和NaOH置于玛瑙研钵中，细细混研10min左右，再于碱性条件下加入适量已充分研细的氧化剂过硫酸铵(NH4)2S2O8，充分混研。体系吸湿后逐渐由浅绿色变为黑色并呈粘稠状。反应进行到颜色不再加深为止。固相产物经抽滤洗涤后于80℃烘干，得样品。测试结果表明，所得样品β-NiOOH的粒子呈球形，粒径大小在20～40nm之间。将该材料作工作电极，采用三电极体系进行5mA恒电流充放电实验。该材料的首次放电比容量很低，仅为35mAh/g，经过5次以上的充放电循环后该材料才达到最高的放电比容量300mAh/g。然而，使用这种方法所制得的β-NiOOH仍然存在以下问题(1)采用固相研磨反应法对反应物进行混研，由于反应物颗粒的扩散和运动受到严重限制，从而使得多种反应物较难分散均匀，粒子容易团聚长大，导致反应进行得不够彻底，反应产物纳米级羟基氧化镍(β-NiOOH)的转化率较低，质量难以保证；(2)以过硫酸铵作为氧化剂的固相化学反应在常温下进行得不彻底、不完全，过硫酸铵的氧化性能不够强，致使得到的纳米级羟基氧化镍(β-NiOOH)被做成碱性Zn/NiOOH二次电池后的初始放电容量很低。该二次电池要经过多次反复充放电化成后才能达到较高的放电比容量。(3)由于该方法制备羟基氧化镍时反应不够彻底充分，产物的转化率低，用该羟基氧化镍产物与金属锌粉组装成电池时，电池的初始放电比容量很低。所以，该羟基氧化镍产物不适合于作为一次锌镍电池的正极活性物质使用。(4)该纳米级羟基氧化镍的层状晶体结构中没有掺杂碱金属阳离子，使其自放电率较大，贮存性能较差。(5)该方法的生产工艺难以进行大规模工业化生产。
本发明的目的还在于提供所述方法制备的纳米级羟基氧化镍。
本发明纳米级羟基氧化镍的制备方法是以二价镍盐为原料，以次氯酸钠为氧化剂，在碱性水溶液中同时进行沉淀反应和氧化反应；反应过程采用超声波进行振荡分散。
具体地，是首先将二价镍盐配制成水溶液，加入相对于二价镍盐的重量百分比为1-5％的二价钴盐、二价锌盐或二价镉盐，溶解混合均匀制得反应液；将反应液逐滴加入到以次氯酸钠为氧化剂的碱性水溶液中进行反应；反应过程采用超声波进行振荡分散，反应温度为45-65℃，反应时间为0.5-5小时。
其反应原理用反应式表示如下
(绿色)(黑色)液相氧化反应是在超声波振荡分散中进行的。这样可以有效地防止产物粒子进一步长大与团聚，有效地控制产物的粒度，从而制备得到粒径均匀细小的纳米级羟基氧化镍。
羟基氧化镍的自放电由两方面的原因引起其一是杂质离子如NO3-、CO32-分解产生氧气引起。这可以通过提纯减少其中的杂质含量来解决；其二是电解液中的溶质碱金属离子会逐渐渗透到羟基氧化镍的层状晶体结构中，将羟基氧化镍羟基中的H部分置换出来成为H+离子。而这些H+离子与电解液中的OH-离子反应生成水，从而造成电解液被稀释。
根据羟基氧化镍的放电反应式上述的电解液被稀释消耗了部分OH-离子，从而导致上式的羟基氧化镍的自放电反应向右加速进行。针对引起羟基氧化镍自放电的原因，本方法将制备得到的纳米级羟基氧化镍在水溶液中预先与碱金属进行掺杂反应，使羟基氧化镍的晶体结构中已预先掺杂上碱金属的阳离子，从而使电解液中的碱金属阳离子稳定不变，电解液不会被进一步稀释，达到降低羟基氧化镍的自放电，提高电池储存性能的目的。
本发明的纳米级羟基氧化镍更具体的制备方法如下(1)纳米级羟基氧化镍的制备①将二价镍盐溶于水配制成浓度为0.1-12 M的水溶液，加入相对于二价镍盐重量百分比为1-5％的二价钴盐、二价锌盐、或二价镉盐，溶解混合均匀制成反应液；所述二价镍盐是氯化镍、硫酸镍、或硝酸镍；水是去离子水、蒸馏水、或自来水；二价钴盐是氯化钴、硝酸钴、或硫酸钴；二价锌盐是氯化锌、硫酸锌、或硝酸锌；二价镉盐是氯化镉、硫酸镉、或硝酸镉；②将氢氧化钾或氢氧化钠溶于水配制成浓度为10-14M的碱性水溶液，加入次氯酸钠水溶液配制成氧化剂水溶液；次氯酸钠水溶液的浓度为1-5M；氧化剂水溶液中次氯酸钠水溶液与氢氧化钾或氢氧化钠碱性水溶液的体积比为1∶0-0.5；③将第②步得到的氧化剂水溶液置于超声波反应器中进行超声波振荡分散，并加热至45-65℃，逐滴加入第①步配制得到的反应液；反应液与氧化剂水溶液的体积比为1∶5；反应液加完后继续进行超声波振荡分散反应；反应时间为0.5-5小时，得到呈黑色溶胶状的反应产物羟基氧化镍；④将第③步的反应产物羟基氧化镍用水反复进行洗涤、过滤，直至洗涤液检不出氯离子的存在；将经过洗涤的反应产物置于真空干燥箱中进行真空干燥至反应产物恒重。(2)纳米级羟基氧化镍的掺杂将(1)制备得到的羟基氧化镍倒入盛有碱性水溶液的反应器中，羟基氧化镍与碱性水溶液的重量比为1∶5-10；所述碱性水溶液由氢氧化钾、氢氧化钠、或氢氧化锂中的一种或几种溶于去离子水、蒸馏水或自来水得到。其浓度为10-14M，反应温度为45-65℃，反应时间为20-60小时。
在此基础上，将反应产物羟基氧化镍用水反复进行洗涤、过滤，直至洗涤液的PH值呈中性，然后将反应产物置于真空干燥箱中进行真空干燥至反应产物恒重。
将上述制备得到的羟基氧化镍粉末用X射线小角散射法测定其粒径。其晶体结构采用X射线衍射仪来进行测试。羟基氧化镍的电性能采用以羟基氧化镍为正极活性物质、锌粉为负极活性物质、氢氧化钾水溶液为电解液所制作的模拟电池来进行测定。本发明与现有技术相比具有如下优点(1)本发明的液相氧化反应法制备纳米级羟基氧化镍的新方法是在超声波振荡分散中进行的。这样不但可使同时进行的沉淀反应和氧化反应进行得更加彻底，而且还可使反应物及其产物充分分散均匀，更有效地防止产物粒子进一步长大与团聚，有效地控制产物的粒度，从而制备得到粒径更加细小均匀的纳米级羟基氧化镍。(2)由本发明制备的纳米级羟基氧化镍所制作的碱性Zn/NiOOH二次电池无须经过多次反复充放电化成。组装后电池初次放电即可达到较高的放电比容量。电池经过多次充放电循环后放电比容量更高。该纳米级羟基氧化镍也适合于作为一次锌镍电池的正极活性物质使用。(3)本发明采用将纳米级羟基氧化镍与碱金属预先进行掺杂反应的方法，使羟基氧化镍的晶体结构中已预先掺杂上碱金属阳离子，从而使Zn/NiOOH二次电池的自放电率更小，贮存性能更好。(4)本发明的液相氧化法的反应温度可根据需要自如控制调节。所制备的纳米级羟基氧化镍的质量容易控制，生产工艺简单，易于进行大规模工业化生产。
量取自来水200ml，然后将其加入到300ml次氯酸钠水溶液中配制成氧化剂水溶液500ml，控制次氯酸钠水溶液的浓度为5M。
将500ml的上述氧化剂水溶液置于超声波反应器上进行超声波振荡分散，并加热至45℃，然后逐滴加入100ml的上述反应液。反应液加完后继续进行超声波振荡分散反应。反应时间为0.5小时。得到的反应产物羟基氧化镍呈黑色溶胶状。
反应结束后将反应产物羟基氧化镍用水反复进行洗涤、过滤，直至洗涤液检不出氯离子的存在为止。然后将反应产物置于真空干燥箱中进行真空干燥，一直干燥至反应产物恒重为止。
将干燥得到的羟基氧化镍再倒入盛有氢氧化钾碱性水溶液的容器中进行掺杂反应。羟基氧化镍与氢氧化钾碱性水溶液的重量比为1∶5。氢氧化钾碱性水溶液由氢氧化钾溶于自来水制备而得，其浓度为10M。反应温度为45℃，反应时间为60小时。
反应结束后再次将反应产物羟基氧化镍用水反复进行洗涤、过滤，直至洗涤液的PH值呈中性。然后将反应产物置于真空干燥箱中进行真空干燥，一直干燥至反应产物恒重为止。
将上述制备得到的羟基氧化镍粉末的粒径用X射线小角散射法进行测定。测得粉末的粒径在30-40nm的范围，平均粒径为35nm。产物经X射线衍射测试，结果表明其结构为β型羟基氧化镍。羟基氧化镍的电性能采用以羟基氧化镍为正极活性物质、锌粉为负极活性物质、氢氧化钾水溶液为电解液制作的模拟电池进行测定，测得其0.1C倍率放电的首次放电比容量为150mAh/g。
称取适量的氢氧化钠溶于蒸馏水配制成碱性水溶液167ml。水溶液的浓度为14M。然后将领加入到333ml次氯酸钠水溶液中配制成氧化剂水溶液500ml。次氯酸钠水溶液的浓度为1M。
将500ml的上述氧化剂水溶液置于超声波反应器上进行超声波振荡分散，并加热至65℃，然后逐滴加入100ml的上述反应液。反应液加完后继续进行超声波振荡分散反应。反应时间为5小时。得到的反应产物羟基氧化镍呈黑色溶胶状。
反应结束后将反应产物羟基氧化镍用水反复进行洗涤、过滤，直至洗涤液检不出氯离子的存在为止。然后将反应产物置于真空干燥箱中进行真空干燥，一直干燥至反应产物恒重为止。
将干燥后的羟基氧化镍再倒入盛有氢氧化钠的碱性水溶液的容器中进行掺杂反应。羟基氧化镍与氢氧化钠碱性水溶液的重量比为1∶10。氢氧化钾碱性水溶液由氢氧化钾溶于蒸馏水制备而得。其浓度为14M。反应温度为65℃，反应时间为20小时。
反应结束后将反应产物羟基氧化镍用水反复进行洗涤、过滤，直至洗涤液的PH值呈中性。然后将反应产物置于真空干燥箱中进行真空干燥，一直干燥至反应产物恒重为止。
将上述制备得到的羟基氧化镍粉末的粒径用X射线小角散射法进行测定。测得粉末的粒径在40-50nm的范围，平均粒径为45nm。产物经X射线衍射测试，结果表明其结构为β型羟基氧化镍。羟基氧化镍的电性能采用以羟基氧化镍为正极活性物质、锌粉为负极活性物质、氢氧化钾水溶液为电解液制作的模拟电池进行测定，测得其0.1C倍率放电的首次放电比容量为120mAh/g。
称取适量的氢氧化钾溶于去离子水配制成碱性水溶液50ml，水溶液的浓度为12M。然后将其加入到450ml次氯酸钠水溶液中配制成氧化剂水溶液500ml。次氯酸钠水溶液的浓度为3M。
将500ml的上述氧化剂水溶液置于超声波反应器上进行超声波振荡分散，并加热至55℃，然后逐滴加入100ml的上述反应液。反应液加完后继续进行超声波振荡分散反应。反应时间为1小时。得到的反应产物羟基氧化镍呈黑色溶胶状。
反应结束后将反应产物羟基氧化镍用水反复进行洗涤、过滤，直至洗涤液检不出氯离子的存在为止。然后将反应产物置于真空干燥箱中进行真空干燥，一直干燥至反应产物恒重为止。
将干燥后的羟基氧化镍再倒入盛有氢氧化钾的碱性水溶液的容器中进行掺杂反应。羟基氧化镍与氢氧化钾碱性水溶液的重量比为1∶8。氢氧化钾碱性水溶液由氢氧化钾溶于去离子水制备而得。其浓度为12M。反应温度为55℃，反应时间为50小时。
反应结束后将反应产物羟基氧化镍用水反复进行洗涤、过滤，直至洗涤液的PH值呈中性。然后将反应产物置于真空干燥箱中进行真空干燥，一直干燥至反应产物恒重为止。
将上述制备得到的羟基氧化镍粉末的粒径用X射线小角散射法进行测定。测得粉末的粒径在25-35nm的范围，平均粒径为30nm。产物经X射线衍射测试，结果表明其结构为β型羟基氧化镍。羟基氧化镍的电性能采用以羟基氧化镍为正极活性物质、锌粉为负极活性物质、氢氧化钾水溶液为电解液制作的模拟电池进行测定，测得其0.1C倍率放电的首次放电比容量为250mAh/g。
表1为本发明制备的纳米级羟基氧化镍(表中A样品)与背景技术的纳米级羟基氧化镍(表中B样品)同等条件下电性能的测试结果比较。采用三电极体系进行样品的电性能测试。测试条件如下80mg待测样品+20mg石墨+10mg乙炔黑+一滴碱液(9M的KOH)，拌匀后装入测试模具中，于适当压力下压片成型作为研究电极。Hg/HgO电极作参比电极，铂丝作辅助电极，铂片作集流体，9M的KOH作电解液。将测试体系平衡10h，进行5mA恒电流的充放电实验，放电截止电位为0V。
表1循环次数 首次第2次第3次第4次第5次A样品的放电比容量(mAh/g) 250 280 300 320 340B样品的放电比容量(mAh/g) 35 180 250 280 300
权利要求
1.一种纳米级羟基氧化镍的制备方法，其特征在于以二价镍盐为原料，以次氯酸钠为氧化剂，在碱性水溶液中同时进行沉淀反应和氧化反应；反应过程采用超声波进行振荡分散。
2.根据权利要求1所述的纳米级羟基氧化镍的制备方法，其特征在于将二价镍盐配制成水溶液，加入相对于二价镍盐的重量百分比为1-5％的二价钴盐、二价锌盐或二价镉盐，溶解混合均匀制得反应液；将反应液逐滴加入到以次氯酸钠为氧化剂的碱性水溶液中进行反应；反应过程采用超声波进行振荡分散，反应温度为45-65℃，反应时间为0.5-5小时。
3.根据权利要求1或2所述的纳米级羟基氧化镍的制备方法，其特征在于包括下列步骤(1)纳米级羟基氧化镍的制备①将二价镍盐溶于水配制成浓度为0.1-12M的水溶液，加入相对于二价镍盐重量百分比为1-5％的二价钴盐、二价锌盐、或二价镉盐，溶解混合均匀制成反应液；所述二价镍盐是氯化镍、硫酸镍、或硝酸镍；水是去离子水、蒸馏水、或自来水；二价钴盐是氯化钴、硝酸钴、或硫酸钴；二价锌盐是氯化锌、硫酸锌、或硝酸锌；二价镉盐是氯化镉、硫酸镉、或硝酸镉；②将氢氧化钾或氢氧化钠溶于水配制成浓度为10-14M的碱性水溶液，加入次氯酸钠水溶液配制成氧化剂水溶液；次氯酸钠水溶液的浓度为1-5M；氧化剂水溶液中次氯酸钠水溶液与氢氧化钾或氢氧化钠碱性水溶液的体积比为1∶0-0.5；③将第②步得到的氧化剂水溶液置于超声波反应器中进行超声波振荡分散，并加热至45-65℃，逐滴加入第①步配制得到的反应液；反应液与氧化剂水溶液的体积比为1∶5；反应液加完后继续进行超声波振荡分散反应；反应时间为0.5-5小时，得到呈黑色溶胶状的反应产物羟基氧化镍；④将第③步的反应产物羟基氧化镍用水反复进行洗涤、过滤，直至洗涤液检不出氯离子的存在；将经过洗涤的反应产物置于真空干燥箱中进行真空干燥至反应产物恒重。(2)纳米级羟基氧化镍的掺杂将(1)制备得到的羟基氧化镍倒入盛有碱性水溶液的反应器中，羟基氧化镍与碱性水溶液的重量比为1∶5-10；所述碱性水溶液由氢氧化钾、氢氧化钠、或氢氧化锂中的一种或几种溶于去离子水、蒸馏水或自来水得到。其浓度为10-14M，反应温度为45-65℃，反应时间为20-60小时。
4.根据权利要求3所述的纳米级羟基氧化镍的制备方法，其特征在于将(2)的反应产物羟基氧化镍用水反复进行洗涤、过滤，直至洗涤液的PH值呈中性，然后将反应产物置于真空干燥箱中进行真空干燥至反应产物恒重。
5.权利要求1或2或3或4所述的方法制备的纳米级羟基氧化镍。
全文摘要
本发明涉及电池材料领域，更详细地是锌镍一次电池、锌镍二次电池以及其它以镍的化合物为活性物质的电池如镉镍电池、金属氢化物镍电池、铁镍电池等的正极材料羟基氧化镍的制备方法以及该方法制备的纳米级羟基氧化镍。该纳米级羟基氧化镍的制备是以二价镍盐为原料，以次氯酸钠为氧化剂，在碱性水溶液中同时进行沉淀反应和氧化反应，反应过程采用超声波进行振荡分散；制备得到的纳米级羟基氧化镍的粒径细小均匀、比表面积大、初始放电比容量高、自放电率低、电性能稳定、操作工艺简单易行、晶体结构容易控制。
文档编号H01M4/52GK1433970SQ0311388
公开日2003年8月6日 申请日期2003年3月10日 优先权日2003年3月10日
发明者周震涛, 刘澧蒲 申请人:华南理工大学