[发明专利]一种可充电池电极及其制备方法

说明书

本发明涉电池技术，特别提供了一种新型的可充电池电极及其制备方法。

随着人类对矿物能源的过度开采与大量使用，矿物能源储备日渐短缺、环境污染日益严重，迫切要求一种新的替代能源。氢能具有零污染和可再生的独特优点，被认为是现有以碳为基础的能源工业最理想的替代者。但是阻碍氢能规模利用的主要障碍是缺乏一种方便、高效的储存系统，储氢材料正是在这样的背景下产生的，并得以迅猛发展。

1886年美国现代化学奠基人Thamas Graham发现金属钯能够大量吸氢。一个世纪以后，直到1968年美国Brookhaven国立研究所率先在储氢合金的研究上获得成功，发现了Mg₂Ni合金也具有储氢性能。1970年荷兰菲利普研究所发现了LaNi₅的储氢性能。与此同时，美国的Brookhaven国立研究所又发现了FeTi储氢合金，从而揭开了储氢合金研究的新篇章。其中研究较多、技术相对成熟的LaNi₅已被成功应用于Ni-MH可充电池，其它合金材料的应用也在研究中，但金属合金储氢材料存在储氢容量低或放氢条件苛刻等问题，难以实现在燃料电池、高容量可充电池等氢能规模利用方面的应用。

本发明的目的在于提供一种新型的可充电池电极及其制备方法，其具有很高的电化学容量及很高的循环使用寿命。

本发明提供了一种可充电池电极，其特征在于以流动催化剂法制备的外直径为3～500nm的一维纳米炭材料作为电化学储氢材料。

本发明提供的可充电池电极中，一维纳米炭材料含量为4～40wt.％，作为粘结剂的铜20～80wt.％，其余为镍及不可避免的杂质；电极材料的宏观密度为1000～5000kg/m³。

或者，本发明提供的可充电池电极中，一维纳米炭材料含量为5～50wt.％，其余为镍及不可避免的杂质；电极材料的宏观密度为1000～5000kg/m³。

本发明所述一维纳米炭材料为采用流动催化剂法制备的外直径为3～100nm的多壁纳米碳管(专利申请号：99112903.2)或直径为100～500nm的纳米级炭纤维(申请号：98121124.0)，最好采用专利申请号为99112903.2的流动催化剂法制备的，并经过预处理的外直径为3～100nm的多壁纳米碳管，其纯度为90～98wt％。

本发明还提供了上述可充电池电极的制备方法，即将一维纳米炭材料和粘结剂铜粉或镍粉混合后，在作为骨架材料的泡沫镍上压制成型，其特征在于在制备电极前先对通过流动催化剂法制备的一维纳米炭材料进行预处理，处理过程如下：

将一维纳米炭材料用超声分散10～45分钟，50～100℃下水煮分散1～2天；

在溴水中于50～95℃下进行溴化1～12小时；

用浓盐酸或浓硝酸浸泡1～24小时，用去离子水清洗；

干燥后在450～600℃热处理1～2小时。

以本发明电极作为工作电极，Hg/HgO作为参比电极，6MKOH为电解液，NiOH为辅助电极，然后进行电化学储氢实验，储氢量可达到500～3700mAh/g(按活性物质一维纳米炭材料计算，下同)，相当于气相储氢1.8wt.％～12.1wt.％。

通常一维纳米炭材料表面具有分子级细孔，内部有纳米级的中空管，且比表面积大，另外石墨层面垂直于纤维轴向或与轴向成一定角度的绯鱼骨状特殊结构的纳米级炭纤维，其层面间距为3.37，大于氢分子直径(2.89)，因此，大量氢可以在一维纳米炭材料中凝聚，从而具有电化学储氢能力。本发明正是由于采用流动催化剂法制备的外直径为3～100nm的多壁纳米碳管(专利申请号：99112903.2)或直径为100～500nm的纳米级炭纤维(申请号：98121124.0)作为电化学储氢材料，其电化学储氢量远远高于金属合金储氢材料的储氢量。另外，通过在先专利方法获得的自制一维纳米炭材料，纯度高(＞50wt.％)，长径比大(约1000)，具有一定的宏观取向，因而力学性能好，并具有良好的导电性，特别适合于电极材料。本发明通过独特的一维纳米炭材料预处理工艺，有效地去除了金属催化剂、无定形碳和石墨微粒，使一维纳米炭材料的开孔率高，从而具有丰富的纳米量级细孔，大大提高了电极的电化学储氢性能。下面通过实施例详述本发明。

附图1.一维纳米炭材料的电化学储氢实验示意图

附图2.一维纳米炭材料的宏观照片

附图3.一维纳米炭材料的透射电子显微镜照片