Pt纳米粒子修饰的多孔硅电极的制备及其电催化性能

通过循环伏安法电沉积使直径约为7 nm的Pt纳米粒子均匀地分散于多孔硅表面, 拟用作微型质子交换膜燃料电池的催化电极. 与刷涂法相比较, 电沉积Pt纳米粒子的多孔硅电极(Pt/Si)呈现出高的Pt利用率和增强的电催化活性. 当Pt载量为0.38 mg•cm−2时, 其电化学活性比表面积高达148 cm2•mg−1, 是刷涂相近质量的纳米Pt/C催化剂的多孔硅电极Pt-C/Si的2倍多；该修饰电极对甲醇氧化也呈现了增强的催化性能和好的稳定性, 在0.5 V(vs SCE)极化1 h后电流密度为4.52 mA•cm−2, 而刷涂了相近Pt量的Pt-C/Si电极的电流密度只有0.36 mA•cm−2.     

PEMFC氧电极的研究——助催化元素Ni和Co对Pt/C电催化剂性能的影响

通过液相共沉积技术在PEM燃料电池氧电极的Pt/C电催化剂中引入了Ni和Co两种助催化元素。经氧电极极化实验证明，这种新的电催化剂提高了氧的阴极还原的催化活性。当Ni和Co含量的质量分数分别为0.8%和1%时(以碳为基准)，电催化活性较佳。SEM和TEM测试结果表明， Ni、Co助催化元素的引入有利于Pt在载体碳上的分散，减小了Pt的颗粒大小。经过96 h的恒流极化测试，电催化剂的活性没有明显的变化，显示稳定性良好。     

XANES研究Al2O3包覆LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2材料的稳定性

采用溶胶凝胶水解法在LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2(NCM)表面包覆了0.5 wt%Al2O3.透射电镜(TEM)表明在NCM表面形成了均匀的Al2O3包覆层;分别采用恒电位极化及热重分析(TG)研究了包覆前后NCM的析氧特性;采用X射线吸收近边结构谱(XANES)研究了包覆前后O的电子结构.结果表明,包覆后的NCM析氧量更少;Al2O3包覆使得NCM表面层中与金属3d轨道杂化的O比例减少,而更稳定的、与金属4sp轨道杂化的O比例增加.这些因素导致Al2O3包覆后的NCM更加稳定、安全性更高.     

MH/Ni电池充放电过程导电物理机制的研究

借助X射线衍射等方法, 研究了MH/Ni电池在充放电过程中电极活性材料β-Ni(OH)2和AB5合金的结构和微结构变化, 进而讨论了两种电极活性材料在充放电过程中的物理行为和导电的物理机制. 研究发现, 在充电过程中确实未观测到β-Ni(OH)2→β-NiOOH的相变, 只有在满充和过充时, 才发生部分β-Ni(OH)2转变成γ-NiOOH, 且一直是β-Ni(OH)2和γ-NiOOH两相共存; 在充电过程不是由β-Ni(OH)2→β-NiOOH相变来提供氢离子, 而是由氢原子离开β-Ni(OH)2的点阵位置提供氢离子; 在负极这一边, 开始时氢原子是以间隙式嵌入AB5点阵形成固溶体, 只有当AB5因氢原子的嵌入使其体积变化达一定百分数后才析出AB5Hx氢化物. 这些过程使电极活性材料的微结构也发生变化, 而且这种变化不是完全可逆的. 简言之, MH/Ni电池的物理导电机制是在正负极活性材料中嵌入和脱嵌的氢离子在电极间的定向迁移运动.     

石墨/LiCoO_2电池充放电过程电极活性材料结构演变研究

利用X射线衍射分析(XRD)详细地研究了石墨/LiCoO2体系18650型锂离子电池充放电过程中正负极活性材料的晶体结构和微结构的变化.结果发现,在电池充电过程中,锂嵌入石墨层中,优先进入碳原子六方网格面间的间隙位置,导致石墨的点阵参数a和c,以及微应变ε增加和堆垛无序度P的变化,电池充电至20%后负极中形成Li-C化合物;电池充电时,正极LiCoO2中处于(000)位的Li原子优先脱离晶体点阵,随着正极材料脱锂量的增大,其晶格参数a减小,c增大,微应变ε也随之增加.LiCoO2在整个充电和放电过程中均未发生相变.最后,讨论了锂离子电池的导电机制.发现,充电时,锂离子的迁移从负极-电解液界面开始;放电时,其迁移从正极-电解液界面开始;在充放电过程中,正负极活性材料的嵌脱锂都有一个从活性材料颗粒表面到内层的过程.电池的充放电过程不完全可逆.     

微型氢气/空气自呼吸式质子交换膜燃料电池

数码相机、手提电脑和移动电话等各种新型的电子产品对电池的能量要求越来越高．例如,配备最新的Li离子电池的数码相机只能连续工作30min,手提电脑只运行3h．显然传统电池的发展已越来越不能满足便携式电子设备的用电需求．微型质子交换膜燃料电池(μPEMFC)由于具有高比能量、无需充电和无自放电等优点,在便携式电子设备中具有广阔的应用前景．然而,用传统技术制作μPEMFC不能适应PEMFC微型化要求．因此基于微机电系统(MEMS)技术的微型质子交换膜燃料电池(μPEMFC)已成为国际上的研究热点．2000年,Kelley等基于MEMS技术制作了μPEMFC,随后又在30℃,用加湿氢气作燃料,压缩空气为氧化剂(流速为0．2L／min),电池峰值功率约为120mW／cm^2等条件下进一步研究了μPEMFC。     

电极活性材料精细结构与MH-Ni电池性能关系研究的一些进展

为了更深入地研究正负极活性材料精细结构与MH-Ni电池性能之间的关系,本文在介绍了简单而较适用的处理X射线衍射数据的方法之后,系统综述了电池活化前后、循环过程中正负极活性物质结构和微结构与电池性能之间关系研究的一些进展。主要包括:(1)具有适当晶粒大小和较大层错几率的β-Ni(OH)2物质,能获得较大的充放电容量;(2)没有观测到MH/Ni电池在充放电过程中有β-Ni(OH)2β-NiOOH的相变,只有满充和过充电时才发生部份β-Ni(OH)2γ-NiOOH的相变;MH/Ni电池的物理导电机制是在正负极活性物质中嵌入和脱嵌的氢离子形成固相质子在电极间定向运动。(3)循环性能的衰减、内阻、容量的变化与正负极活性物质的微结构变化有良好对应关系。微结构变化消耗电解液,并改变电解液的性能。正极、负极和电解液三者的共同作用是循环性能衰减的主导原因。(4)正极添加剂与电池性能之间的关系。由于正极添加剂Lu2O3和CaF2能抑制正极活性物质的微晶细化、减缓总的层错几率降低,对于储氢合金能抑制晶粒增大,特别能抑制A(OH)3和B的析出,故能提高了电池的循环性能和寿命。(5)电池储存前后的容量衰减和内阻增加是其在储存过程中CoOOH析出和晶粒细化双重作用的结果。