鎳基復合物制備及電催化尿素廢水研究

摘要：首先，從鎳基復合物與電催化尿素廢水出發，分析其化學機理與理論支撐；其次，闡述了該理論基礎，指出了鎳基蓄電池在電動汽車之中廣泛使用的是鎳氫蓄電池與鎳鎘蓄電池兩種類型，同時分析了鎳鎘蓄電池與鎳氫蓄電池的工作原理、故障及優缺點。研究結論可為鎳氫蓄電池與鎳鎘蓄電池的相關學者提供參考。

關鍵詞：鎳基復合物；電催化尿素；鎳基蓄電池；電動汽車

中圖分類號：U473? 收稿日期：2023-03-29

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.022

1 前言

自20世紀80年代開始，鎳基蓄電池就已經進入第二代動力電池的主力方陣中，其所具體涉及的種類包括鎳鎘、鎳氫、鎳鋅等多種鎳基蓄電池。鎳基電池之所以有如此地位和如此分類，是由于它在比功率、比能量以及循環使用壽命等方面比前生代的鉛酸蓄電池更具有優勢地位，這使得其有利于減輕整體車輛的自身重量，而且相對于之前的電動汽車其可以提升里程水平［1］。鎳基復合物制備和電催化尿素廢水的相關原理，支撐著鎳氫蓄電池逐漸發展為不存在重金屬污染的環保型綠色電池［2］。因此，有必要了解鎳基復合物及其電催化尿素廢水的相關知識，并在此基礎上對鎳基蓄電池在電動汽車領域中的廣泛應用進行分析。

2 鎳基復合物

鎳基復合材料是鎳基材料的系列綜合物，其主要特點就是對制造和使用的環境溫度要求比較高。因此，其所使用的領域均是耐高溫的應用場合。由于制造和使用的溫度較高，制造復合材料的難度以及纖維與基體之間反應的可能性都相應增大。同時，這類用途還要求在高溫下具有足夠強度和穩定性的增強體，符合這些要求的有氧化物、碳化物、棚化物和難熔金屬。用于鎳基復合材料的基體主要有純鎳、鎳鉻合金、鎳鋁合金等。NiAI合金常作為鎳基復合材料的基體，因為它的屈服強度具有反常的溫度關系，在600 ℃左右達到峰值；用B微合金化后大大地改進了其塑性；密度也低于傳統的鎳基高溫合金。NiAI合金也被用于鎳基復合材料的基體，因為它具有高熔點（1 640 ℃）、低密度（5.869 g/cm）及極佳的抗氧化性能。增強體主要有AIO和SiC顆粒、晶須、纖維、TiC和TiB顆粒及W絲等。

2.1 鎳基復合物材料

鎳基化合物是電池行業的翹楚，其主要成分為元素鎳。而元素鎳屬于元素周期表中的過渡性金屬元素，其化學業態比較活潑，存在正態與負態的多種化合物等。它具有豐富的儲能潛力，儲能的效率與能力是舊材料的數倍，這種情況之下，其所具備的各種內在塑性遠超氧化鎳、氫氧化鎳以及硫化鎳等單一物的儲能塑性。

因此，各種單一物的形貌、構造、導電性能以及化學方面的功能都難以滿足新的需要，這種性質綜合起來就會形成鎳基復合物的獨具風格的優勢。也就是說，鎳基化合物是多種單一化合物的綜合體。如此看來，鎳基化合物的定義就有各單一化合物之相組合而形成互補優勢之定義。這種定義是從單一的化合物的組合轉化而來的。它所具有代表性的子集有Ni-M型化合物、Ni-M復合氫氧化物、Ni-M復合氧化物以及其他鎳基復合物。

2.2 鎳基復合電池的基本結構

鎳基復合物的基本結構具有很強的電化學活性以及快速輸送、表面電活性較強、材料適應性強等優勢。它所具有的基本結構有多孔納米片、高導電納米線、納米異質結構、介孔納米、單晶納米以及3D凝膠等。它所屬的結構各具優勢地位，由于所依據的化學結構化生出來的獨具優勢使得其基本結構雖多樣但擁有很大的發展前途。比如，多空納米由于表面積和多孔結構的存在，所具備的電化學活性和電離子傳輸能力都比較強，多被市場應用。不管是鎳基復合電池的何種結構，所依據的基本形態是不會發生變化的，因此這種基本結構的穩定，使得像單晶納米這種電容值、電動力、機械強度等的基本結構穩固。

2.3 鎳基復合物的制備方法

鎳基復合物的制備過程具有多樣性，在理論上有凝膠法、水熱法、共沉淀法、界面法以及電沉淀法等。這種理論之上的制備過程中使用的方法是多種多樣的，從實踐層面來看最常見的有水熱法、界面法兩大方法［3-4］。

a.水熱法。水熱法是指鎳基復合物納米材料的制備手段，這種制備方法不僅在鎳基化合物的制備過程中使用，而且在光電、陶瓷、生物醫學及生物光子等領域多有應用。因此，水熱法在鎳基化合物領域的制作是最為常見的。如此看來，此種方法制備鎳基納米復合材料不僅可以得到極為分散和均勻的納米顆粒，而且可以使用雜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還原劑在有機與無機溶液中的一種溶解方法，此種溶解是有限的液相界的氧化還原反應，可在此基礎之上組成微觀形貌的材料。但是，此種反應位置受到界面的限定，且其反應速度由多種溶劑來控制。此種控制是指其受到陰陽離子有限的控制，且會減少形核的數量。該方法操作特別簡單，在簡單器材和常溫之下即可完成。

3 電催化尿素廢水

3.1 電催化尿素廢水概述

電催化尿素廢水是目前比較先進的電解水制氫技術，這種全電解尿素水析氫雖然理論電勢比較低，但其熱值極高，成本極低。目前大部分電催化尿素的主要來源是從工業廢水和廁所廢水之中獲得的［5-6］。但是一般情況中這種廢物還沒有得到極大的利用。如果能夠極大地利用這種資源，不僅可以對環境水污染進行有效治理，而且會制造出更多的電解水和尿素。

3.2 電催化尿素廢水性能研究

電催化尿素廢水性能研究一般分為電催化尿素廢水反應機理研究和電催化尿素反應催化劑研究。電催化尿素的反應機理是通過堿性介質中的全電解尿素析氫得以實現。這個過程可以簡單地進行描述如下：1 mol尿素分子與6 mol氫氧根離子發生發應，其結果生成氮氣和碳酸根，同時水分子經過還原可以獲得陰極的氫分子。全電解尿素反應的催化劑，由于其熱力學和動力學的限制，必須克服其活化能勢壘才能發揮功能。

4 鎳基蓄電池在電動汽車領域的廣泛應用

4.1 鎳鎘蓄電池

鎳鎘蓄電池正極的組成部分一般為氫氧化亞鎳與石墨，這兩種成分的混合體構成了鎳鎘蓄電池這個統一體。同時，鎳鎘蓄電池負極的組成部分一般為海綿狀鎘粉或者為氧化的鎘粉，而其中的電解液一般為氫氧化鈉或者氫氧化鉀。其工作的重點就在這些組成部分的相互配合之中，這種配合是與周邊環境相聯系的。

這表明，在環境溫度比較高的時候，氫氧化鉀液體的密度降低，在周邊環境溫度比較低的時候，氫氧化鉀液體的密度較高。但是經過實驗進行比較，這種密度變化的幅度維持在0.6～0.8之間，這表明鎳鎘蓄電池在適應溫度上的性能是相對好的。與此同時，為了增加鎳鎘蓄電池的壽命和儲能，并兼顧其在低溫條件和電池負荷能力多種性能的協調，宜在鎳鎘蓄電池中加入少量的氫氧化鋰以催動其性能的長久、穩定的發揮。

鎳鎘蓄電池的正極板活性物質在使用過程中會發生化學反應，化學反應的產物就是氫氧化鎳，而負極板上的活性物質會轉化為金屬鎘。將鎳鎘蓄電池進行復雜的放電反應后，正極板的活性物質轉而變為羥基氧化亞鎳，而負極板上的活性物質為氫氧化鎘。因此，在鎳鎘蓄電池每次充電完成后，該模塊的電池即發生電解水的反應，這種反應將產生氧氣和氫氣，其中的氫氧化鉀不產生化學反應，僅僅發生揮電的作用。

4.2 鎳鎘蓄電池記憶效應應用

電池記憶效應是指鎳鎘蓄電池在其耗用的過程中，若其電量不能完全放電而存在剩余電量，則這種未放完電的鎳基畜電池在下次使用時，要繼續放完上次未用電量，從而不再繼續產生放電效應的現象。這個原理就是蓄電池部分放電之后，其所含物質氫氧化亞鎳并未完全轉化為羥基氧化鎳，于是剩余的氫氧化亞鎳聯合起來形成了比較大的結晶體，這種結晶體的存在支撐了鎳鎘蓄電池記憶效應的存在［7-8］。

4.3 鎳鎘蓄電池的故障及原因

鎳鎘蓄電池的故障一般分為白色結晶、綠色銹蝕及其他故障。這些故障的發生是多種因素的綜合而致，下面進行分析。

a.白色結晶。白色結晶就是在電池充電時，電解溶液會發生化學反應并釋放熱量，這種熱量會因膨脹而發生氣塞，日積月累就形成白色的結晶。解決方法如下：對電池添加純水和電解液以不超過容器液面為宜，并在此基礎之上對整個容器的外部空間進行密封的加固，這種加固，以及存放的純水與電解液的作用最終可防止鎳鎘蓄電池產生白色結晶。

b.綠色銹蝕。綠色銹蝕發生的主要根源是由于極柱、跨接板與其接線頭都屬于裸導體。當鎳鎘蓄電池處于潮濕的環境時，這種富含水分的環境會促使銅與氧氣發生化學反應，這種反應集中的表現就是鎳鎘電池銹蝕的產生。

4.4 鎳氫蓄電池

鎳氫蓄電池是目前最被看好的二代蓄積電池，其未來發展趨勢較好，可取代鎳鎘電池和鉛酸蓄電池。因此，鎳氫蓄電池的發展在目前看來已經進入成熟階段，這種成熟使得其在動力電池體系中已經占據半壁江山，其商業化與規模化的發展模式已經成為混合動力汽車的發展主流方向。

4.5 鎳氫蓄電池工作原理

鎳氫蓄電池的工作原理可表述為：其正極活性物使用氫氧化亞鎳，負極活性物質使用負極儲氫合金，兩者之間的電解液為氫氧化鉀溶液；當電池充電的時候，正極會進入負極中，放電的時候這個過程會相反；在蓄電池的充電過程中，正極產生氧氣，負極產生氫氣。鎳氫蓄電池的工作原理模型由正極、負極、極板、隔板以及電解液等組成。方形和圓形鎳氫蓄電池的結構分別如圖1、圖2所示。

4.6 鎳氫蓄電池的優缺點

鎳氫蓄電池與鎳鎘蓄電池的外形基本相同，正極都是鎘活性物質，區別在于負極上。鎳鎘的負極為鎘活性物質，鎳氫的負極為高能貯氫合金。因此，鎳氫蓄電池的使用可以完全替代鎳鎘蓄電池，并且具有很大的優勢。鎳氫蓄電池的優勢表現為高比能量、高比功率、長壽命特性、安全性能高等。鎳氫蓄電池仍舊有缺陷，如充電時間較長，并且容易在使用時發熱，經濟成本比鎳鎘蓄電池貴，性能比鋰電池差。

5 結語

本文分析鎳氫蓄電池的工作原理，并針對鎳鎘蓄電池和鎳氫蓄電池分析了其在電動汽車領域中的應用情況。目前，這種電池在電動汽車中得到了廣泛的應用，鎳氫蓄電池的最新產品在商業化與專業化的生產與使用中有著不可比擬的優勢。因此，從本文分析來看，鎳氫蓄電池在電動汽車的應用前景非常廣闊。

參考文獻：

[1]王鑫澤，王海，趙昌明新能源汽車的應用現狀及發展前景探討[J]農業工程與能源，2017（2）：179

[2]李秀芬，雷躍峰電動汽車關鍵技術發展綜述[J]上海汽車，2006，（1）：8-10

[3]王震坡，孫逢春，劉鵬電動汽車原理與應用技術[M]北京：機械工業出版社，2015

[4]陳明，電動自行車鉛酸蓄電池的危害性分析及對策措施[J]科技資訊，2008（26）：120-121

[5]劉金生，楊驥，陳婷廢舊鉛酸電池回收處置現狀及對策[J]輕工機械，2010，28（5）：1-4

[6]楊世春電動汽車設計基礎[M]北京：國防工業出版社，2013

[7]汝寶星鎳基電池的記憶效應[J]電動自行車，2005（11）：35-37

[8]孫文華，何小海鎳氫電池應用于電動車之可行性分析[J]小型內燃機與摩托車2009，38（1）：87-90

作者簡介：

武娜，女，1987年生，講師，研究方向為碳復合物的制備及其電催化氧化尿素的性能。