镍基复合物制备及电催化尿素废水研究

摘要：首先，从镍基复合物与电催化尿素废水出发，分析其化学机理与理论支撑；其次，阐述了该理论基础，指出了镍基蓄电池在电动汽车之中广泛使用的是镍氢蓄电池与镍镉蓄电池两种类型，同时分析了镍镉蓄电池与镍氢蓄电池的工作原理、故障及优缺点。研究结论可为镍氢蓄电池与镍镉蓄电池的相关学者提供参考。

关键词：镍基复合物；电催化尿素；镍基蓄电池；电动汽车

中图分类号：U473  收稿日期：2023-03-29

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.022

1 前言

自20世纪80年代开始，镍基蓄电池就已经进入第二代动力电池的主力方阵中，其所具体涉及的种类包括镍镉、镍氢、镍锌等多种镍基蓄电池。镍基电池之所以有如此地位和如此分类，是由于它在比功率、比能量以及循环使用寿命等方面比前生代的铅酸蓄电池更具有优势地位，这使得其有利于减轻整体车辆的自身重量，而且相对于之前的电动汽车其可以提升里程水平［1］。镍基复合物制备和电催化尿素废水的相关原理，支撑着镍氢蓄电池逐渐发展为不存在重金属污染的环保型绿色电池［2］。因此，有必要了解镍基复合物及其电催化尿素废水的相关知识，并在此基础上对镍基蓄电池在电动汽车领域中的广泛应用进行分析。

2 镍基复合物

镍基复合材料是镍基材料的系列综合物，其主要特点就是对制造和使用的环境温度要求比较高。因此，其所使用的领域均是耐高温的应用场合。由于制造和使用的温度较高，制造复合材料的难度以及纤维与基体之间反应的可能性都相应增大。同时，这类用途还要求在高温下具有足够强度和稳定性的增强体，符合这些要求的有氧化物、碳化物、棚化物和难熔金属。用于镍基复合材料的基体主要有纯镍、镍铬合金、镍铝合金等。NiAI合金常作为镍基复合材料的基体，因为它的屈服强度具有反常的温度关系，在600 ℃左右达到峰值；用B微合金化后大大地改进了其塑性；密度也低于传统的镍基高温合金。NiAI合金也被用于镍基复合材料的基体，因为它具有高熔点（1 640 ℃）、低密度（5.869 g/cm）及极佳的抗氧化性能。增强体主要有AIO和SiC颗粒、晶须、纤维、TiC和TiB颗粒及W丝等。

2.1 镍基复合物材料

镍基化合物是电池行业的翘楚，其主要成分为元素镍。而元素镍属于元素周期表中的过渡性金属元素，其化学业态比较活泼，存在正态与负态的多种化合物等。它具有丰富的储能潜力，储能的效率与能力是旧材料的数倍，这种情况之下，其所具备的各种内在塑性远超氧化镍、氢氧化镍以及硫化镍等单一物的储能塑性。

因此，各种单一物的形貌、构造、导电性能以及化学方面的功能都难以满足新的需要，这种性质综合起来就会形成镍基复合物的独具风格的优势。也就是说，镍基化合物是多种单一化合物的综合体。如此看来，镍基化合物的定义就有各单一化合物之相组合而形成互补优势之定义。这种定义是从单一的化合物的组合转化而来的。它所具有代表性的子集有Ni-M型化合物、Ni-M复合氢氧化物、Ni-M复合氧化物以及其他镍基复合物。

2.2 镍基复合电池的基本结构

镍基复合物的基本结构具有很强的电化学活性以及快速输送、表面电活性较强、材料适应性强等优势。它所具有的基本结构有多孔纳米片、高导电纳米线、纳米异质结构、介孔纳米、单晶纳米以及3D凝胶等。它所属的结构各具优势地位，由于所依据的化学结构化生出来的独具优势使得其基本结构虽多样但拥有很大的发展前途。比如，多空纳米由于表面积和多孔结构的存在，所具备的电化学活性和电离子传输能力都比较强，多被市场应用。不管是镍基复合电池的何种结构，所依据的基本形态是不会发生变化的，因此这种基本结构的稳定，使得像单晶纳米这种电容值、电动力、机械强度等的基本结构稳固。

2.3 镍基复合物的制备方法

镍基复合物的制备过程具有多样性，在理论上有凝胶法、水热法、共沉淀法、界面法以及电沉淀法等。这种理论之上的制备过程中使用的方法是多种多样的，从实践层面来看最常见的有水热法、界面法两大方法［3-4］。

a.水热法。水热法是指镍基复合物纳米材料的制备手段，这种制备方法不仅在镍基化合物的制备过程中使用，而且在光电、陶瓷、生物医学及生物光子等领域多有应用。因此，水热法在镍基化合物领域的制作是最为常见的。如此看来，此种方法制备镍基纳米复合材料不仅可以得到极为分散和均匀的纳米颗粒，而且可以使用杂化之手法改善材料的性能。

b.界面法。界面法是指使氧化劑或还原剂在有机与无机溶液中的一种溶解方法，此种溶解是有限的液相界的氧化还原反应，可在此基础之上组成微观形貌的材料。但是，此种反应位置受到界面的限定，且其反应速度由多种溶剂来控制。此种控制是指其受到阴阳离子有限的控制，且会减少形核的数量。该方法操作特别简单，在简单器材和常温之下即可完成。

3 电催化尿素废水

3.1 电催化尿素废水概述

电催化尿素废水是目前比较先进的电解水制氢技术，这种全电解尿素水析氢虽然理论电势比较低，但其热值极高，成本极低。目前大部分电催化尿素的主要来源是从工业废水和厕所废水之中获得的［5-6］。但是一般情况中这种废物还没有得到极大的利用。如果能够极大地利用这种资源，不仅可以对环境水污染进行有效治理，而且会制造出更多的电解水和尿素。

3.2 电催化尿素废水性能研究

电催化尿素废水性能研究一般分为电催化尿素废水反应机理研究和电催化尿素反应催化剂研究。电催化尿素的反应机理是通过碱性介质中的全电解尿素析氢得以实现。这个过程可以简单地进行描述如下：1 mol尿素分子与6 mol氢氧根离子发生发应，其结果生成氮气和碳酸根，同时水分子经过还原可以获得阴极的氢分子。全电解尿素反应的催化剂，由于其热力学和动力学的限制，必须克服其活化能势垒才能发挥功能。

4 镍基蓄电池在电动汽车领域的广泛应用

4.1 镍镉蓄电池

镍镉蓄电池正极的组成部分一般为氢氧化亚镍与石墨，这两种成分的混合体构成了镍镉蓄电池这个统一体。同时，镍镉蓄电池负极的组成部分一般为海绵状镉粉或者为氧化的镉粉，而其中的电解液一般为氢氧化钠或者氢氧化钾。其工作的重点就在这些组成部分的相互配合之中，这种配合是与周边环境相联系的。

这表明，在环境温度比较高的时候，氢氧化钾液体的密度降低，在周边环境温度比较低的时候，氢氧化钾液体的密度较高。但是经过实验进行比较，这种密度变化的幅度维持在0.6～0.8之间，这表明镍镉蓄电池在适应温度上的性能是相对好的。与此同时，为了增加镍镉蓄电池的寿命和储能，并兼顾其在低温条件和电池负荷能力多种性能的协调，宜在镍镉蓄电池中加入少量的氢氧化锂以催动其性能的长久、稳定的发挥。

镍镉蓄电池的正极板活性物质在使用过程中会发生化学反应，化学反应的产物就是氢氧化镍，而负极板上的活性物质会转化为金属镉。将镍镉蓄电池进行复杂的放电反应后，正极板的活性物质转而变为羟基氧化亚镍，而负极板上的活性物质为氢氧化镉。因此，在镍镉蓄电池每次充电完成后，该模块的电池即发生电解水的反应，这种反应将产生氧气和氢气，其中的氢氧化钾不产生化学反应，仅仅发生挥电的作用。

4.2 镍镉蓄电池记忆效应应用

电池记忆效应是指镍镉蓄电池在其耗用的过程中，若其电量不能完全放电而存在剩余电量，则这种未放完电的镍基畜电池在下次使用时，要继续放完上次未用电量，从而不再继续产生放电效应的现象。这个原理就是蓄电池部分放电之后，其所含物质氢氧化亚镍并未完全转化为羟基氧化镍，于是剩余的氢氧化亚镍联合起来形成了比较大的结晶体，这种结晶体的存在支撑了镍镉蓄电池记忆效应的存在［7-8］。

4.3 镍镉蓄电池的故障及原因

镍镉蓄电池的故障一般分为白色结晶、绿色锈蚀及其他故障。这些故障的发生是多种因素的综合而致，下面进行分析。

a.白色结晶。白色结晶就是在电池充电时，电解溶液会发生化学反应并释放热量，这种热量会因膨胀而发生气塞，日积月累就形成白色的结晶。解决方法如下：对电池添加纯水和电解液以不超过容器液面为宜，并在此基础之上对整个容器的外部空间进行密封的加固，这种加固，以及存放的纯水与电解液的作用最终可防止镍镉蓄电池产生白色结晶。

b.绿色锈蚀。绿色锈蚀发生的主要根源是由于极柱、跨接板与其接线头都属于裸导体。当镍镉蓄电池处于潮湿的环境时，这种富含水分的环境会促使铜与氧气发生化学反应，这种反应集中的表现就是镍镉电池锈蚀的产生。

4.4 镍氢蓄电池

镍氢蓄电池是目前最被看好的二代蓄积电池，其未来发展趋势较好，可取代镍镉电池和铅酸蓄电池。因此，镍氢蓄电池的发展在目前看来已经进入成熟阶段，这种成熟使得其在动力电池体系中已经占据半壁江山，其商业化与规模化的发展模式已经成为混合动力汽车的发展主流方向。

4.5 镍氢蓄电池工作原理

镍氢蓄电池的工作原理可表述为：其正极活性物使用氢氧化亚镍，负极活性物质使用负极储氢合金，两者之间的电解液为氢氧化钾溶液；当电池充电的时候，正极会进入负极中，放电的时候这个过程会相反；在蓄电池的充电过程中，正极产生氧气，负极产生氢气。镍氢蓄电池的工作原理模型由正极、负极、极板、隔板以及电解液等组成。方形和圆形镍氢蓄电池的结构分别如图1、图2所示。

4.6 镍氢蓄电池的优缺点

镍氢蓄电池与镍镉蓄电池的外形基本相同，正极都是镉活性物质，区别在于负极上。镍镉的负极为镉活性物质，镍氢的负极为高能贮氢合金。因此，镍氢蓄电池的使用可以完全替代镍镉蓄电池，并且具有很大的优势。镍氢蓄电池的优势表现为高比能量、高比功率、长寿命特性、安全性能高等。镍氢蓄电池仍旧有缺陷，如充电时间较长，并且容易在使用时发热，经济成本比镍镉蓄电池贵，性能比锂电池差。

5 结语

本文分析镍氢蓄电池的工作原理，并针对镍镉蓄电池和镍氢蓄电池分析了其在电动汽车领域中的应用情况。目前，这种电池在电动汽车中得到了广泛的应用，镍氢蓄电池的最新产品在商业化与专业化的生产与使用中有著不可比拟的优势。因此，从本文分析来看，镍氢蓄电池在电动汽车的应用前景非常广阔。

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作者简介：

武娜，女，1987年生，讲师，研究方向为碳复合物的制备及其电催化氧化尿素的性能。