CN102280260B - 超级电容器三维多孔复合薄膜及其制备方法 - Google Patents

超级电容器三维多孔复合薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了超级电容器三维多孔复合薄膜及其制备方法，通过阴极电沉积法，反应60～180s生成三维多孔纳米镍薄膜；以三维多孔纳米镍薄膜为载体，通过阴极电沉积法，反应100～400s沉积，在三维多孔纳米镍层上复合氢氧化钴纳米片层，制备三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜，其中三维多孔纳米镍层的孔径为5～10μm，氢氧化钴纳米片层的片间距为10～300nm，复合薄膜厚度30～200μm，氢氧化钴纳米片与三维多孔纳米镍薄膜的重量比为5∶100～20∶100。本发明复合薄膜具有高比电容，高功率和高能量密度及高循环寿命，在电动汽车、通讯和信号控制等领域具有广阔的应用前景。

Description

超级电容器三维多孔复合薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及超级电容器金属材料与过渡金属化合物复合薄膜及其制备方法，尤其是三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜及其制备方法。
背景技术
超级电容器是一种性能介于电池与传统电容器之间的绿色储能器件，具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长和工作温度范围宽等优点，在电动汽车、通讯和信号控制等领域具有广阔的应用前景。超级电容器往往具有超高功率放电特性，可高达10kW/kg，但超级电容器一直受较低的能量密度困扰(5-40Wh/kg)，其能量密度只有锂离子电池(120Wh/kg)的几分之一甚至几十分之一，无法满足电动汽车等领域对超级电容器高能量密度的迫切需求。超级电容器的低能量密度主要是由电极材料的低比电容量造成的。传统超级电容器的碳基活性材料的比电容量只有110-200F/g，其能量密度低于20Wh/kg，且在超大电流工作条件下能量/功率密度衰减较快，极大限制了高能量高功率超级电容器的研制。因此，设计合成高容量高功率电极材料对高性能超级电容器的研制、环境的可持续发展及高性能电极材料的设计开发具有重要意义。电极材料是超级电容器的核心部件，是决定其性能的关键因素。随着超级电容器应用领域的拓展和深入，研究开发兼有高比电容量、高功率密度、高能量密度和高循环寿命的电极材料变得尤为迫切。
发明内容
本发明提供了一种三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜及其制备方法，该复合薄膜用作超级电容器电极材料兼具高能量密度和高功率密度。
一种三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜，所述的三维多孔纳米镍层上复合有所述的氢氧化钴纳米片层，所述的三维多孔纳米镍层的孔径为5～10μm，所述的氢氧化钴纳米片层的片间距为10～300nm；所述的复合薄膜的厚度30～200μm，所述的氢氧化钴纳米片层与所述的三维多孔纳米镍层的重量比为5∶100～20∶100。
所述的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜的制备方法，其步骤如下：
(1)将氯化铵和氯化镍按重量比5∶1～15∶1溶于去离子水形成含镍盐电解液；
(2)以镍箔为第一工作电极，铂片为第一辅助电极，采用步骤(1)制备的含镍盐电解液，构成电化学双电极体系；在所述的电化学双电极体系中，在第一工作电极上施加阴极电流密度为1.5～3A/cm2，反应60～180s，以阴极产生的氢气为模板，在所述的镍箔上沉积，形成三维多孔纳米镍薄膜；
(3)将硝酸钴和硝酸钠按重量比36∶1溶于去离子水中，得到含钴盐电解液；
(4)以步骤(2)制备的三维多孔纳米镍薄膜为第二工作电极，铂片为第二辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，采用步骤(3)制备的含钴盐电解液，构成电化学三电极体系；在所述的电化学三电极体系中，在第二工作电极上施加阴极电流密度为1～10mA/cm2，反应100～400s，在所述的三维多孔纳米镍薄膜上沉积氢氧化钴纳米片，形成三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜。
所述的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜，三维多孔纳米镍层上复合有氢氧化钴纳米片层，所述的三维多孔纳米镍层的孔径为5～10μm，所述的氢氧化钴纳米片层的片间距为10～300nm；所述的复合薄膜的厚度为30～200μm。根据实际需要，可以调整反应时间来控制其厚度，可以通过施加电压来调整其孔径和片间距大小。
本发明方法以三维多孔纳米镍薄膜为沉积载体，通过阴极电沉积氢气模板法制备三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜。该制备方法简单方便，易于控制。
本发明制备的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜，由三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片构成，并且具有多孔网络结构。氢氧化钴通过氧化还原反应可产生达1900F/g以上的高比电容，三维多孔纳米镍具有大的比表面积及多层次孔结构，不但能为氢氧化钴提供快电子传输通道，而且同时与氢氧化钴纳米片构成三维立体多孔交叉网络结构，有利于增大薄膜电极和电解液的接触面积，并提供更大有效的活性反应面积，同时为电化学反应提供良好的电子和离子扩散通道，缩短离子到超电容薄膜的扩散距离，从而提高超电容性能。本发明中，将高比电容的氢氧化钴与高导电性的三维多孔纳米镍结合，克服了单一的过渡金属氢氧化物由于自身导电性较差而无法满足在高功率条件下保持高能量密度要求的缺点，从而实现高功率放电性能的同时保持高能量密度，以形成具有高功率、高能量密度的新型超级电容器电极材料。
本发明制备的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜具备快电子和离子传输通道，导电性好，充放电容量高，循环稳定性好，高倍率性能好，能量和功率密度高，尤其适合超大充放电流条件下工作。
附图说明
图1为实施例1中制得的三维多孔纳米镍薄膜的扫描电镜图。
图2为图1的局部放大图。
图3为实施例1中制得的三维多孔纳米镍薄膜的透射电镜和选区电子衍射图。
图4为实施例1中制得的三维多孔纳米镍薄膜和三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜的XRD图，其中，a为三维多孔纳米镍薄膜；b为三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片复合薄膜。
图5为实施例1制备的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜的扫描电镜图。
图6为图5的局部放大图。
具体实施方式
下面结合实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
实施例1
分别称取100g氯化铵和20g氯化镍置于烧杯中，然后加入1000mL去离子水，搅拌至完全溶解形成含镍盐电解液。然后把含镍盐电解液转移到电化学双电极体系中，其中镍箔为第一工作电极，铂片为第一辅助电极。在第一工作电极上施加阴极电流密度为1.5A/cm2，反应60s，以阴极产生的氢气为模板，在所述的镍箔上沉积，得到三维多孔纳米镍薄膜。对得到的三维多孔纳米镍薄膜进行SEM、TEM和XRD分析，其扫描电镜及局部放大图如图1和2所示，可见：三维多孔纳米镍薄膜中，大孔范围6～12μm，小孔范围100～500nm，薄膜厚度28μm；其透射电镜图如图3所示，其XRD图如图4中a所示，可见：薄膜成分为镍。
分别称取90g硝酸钴和2.5g硝酸钠溶于1000mL去离子水，搅拌至完全溶解形成含钴盐电解液。然后把含钴盐电解液转移到电化学三电极体系中，其中以上述所制备的三维多孔纳米镍薄膜为第二工作电极，铂片为第二辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。在第二工作电极上施加阴极电流密度为1mA/cm2，反应100s，在三维多孔纳米镍薄膜层上沉积氢氧化钴纳米片层，得到三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜。对得到的复合薄膜进行XRD分析，结果如图4中b所示，显示复合薄膜中组成为镍和氢氧化钴；对得到的复合薄膜进行SEM分析，结果如图5和6所示，可见：复合薄膜中，三维多孔纳米镍层的孔径为5～10μm，氢氧化钴纳米片层的片间距为10～300nm，复合薄膜厚度30μm，氢氧化钴纳米片层与三维多孔纳米镍层的重量比为5∶100。
实施例2：
分别称取200g氯化铵和20g氯化镍置于烧杯中，然后加入1000mL去离子水，搅拌至完全溶解形成含镍盐电解液。然后把含镍盐电解液转移到电化学双电极体系中，其中镍箔为第一工作电极，铂片为第一辅助电极。在第一工作电极上施加阴极电流密度为2A/cm2，反应120s，以阴极产生的氢气为模板，在所述的镍箔上沉积，得到三维多孔纳米镍薄膜。三维多孔纳米镍薄膜的大孔范围7～13μm，小孔范围110～550nm，薄膜厚度115μm。
分别称取180g硝酸钴和5g硝酸钠溶于1000mL去离子水，搅拌至完全溶解形成含钴盐电解液。然后把含钴盐电解液转移到电化学三电极体系中，其中以上述所制备的三维多孔纳米镍薄膜为第二工作电极，铂片为第二辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。在第二工作电极上施加阴极电流密度为5mA/cm2，反应250s，在三维多孔纳米镍薄膜层上沉积氢氧化钴纳米片层，得到三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜。复合薄膜中，三维多孔纳米镍层的孔径为6～10μm，氢氧化钴纳米片层的片间距为10～300nm，复合薄膜厚度120μm。氢氧化钴纳米片层与三维多孔纳米镍层的重量比为10∶100。
实施例3：
分别称取300g氯化铵和20g氯化镍置于烧杯中，然后加入1000mL去离子水，搅拌至完全溶解形成含镍盐电解液。然后把含镍盐电解液转移到电化学双电极体系中，其中镍箔为第一工作电极，铂片为第一辅助电极。在第一工作电极上施加阴极电流密度为3A/cm2，反应180s，以阴极产生的氢气为模板，在所述的镍箔上沉积，得到三维多孔纳米镍薄膜。三维多孔纳米镍薄膜的大孔范围8～11μm，小孔范围150～480nm，薄膜厚度196μm。
分别称取360g硝酸钴和10g硝酸钠溶于1000mL去离子水，搅拌至完全溶解形成含钴盐电解液。然后把含钴盐电解液转移到电化学三电极体系中，其中以上述所制备的三维多孔纳米镍薄膜为第二工作电极，铂片为第二辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。在第二工作电极上施加阴极电流密度为10mA/cm2，反应400s，在三维多孔纳米镍薄膜层上沉积氢氧化钴纳米片层，得到三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜。复合薄膜中，三维多孔纳米镍层的孔径为7～10μm，氢氧化钴纳米片层的片间距为10～300nm，厚度200μm。氢氧化钴纳米片层与三维多孔纳米镍层的重量比为20∶100。
性能测试
将上述实施例1～3制成的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜分别作为正极，泡沫镍作负极，汞/氧化汞电极为参比电极，在三电极体系中分别测试超电容性能。电解液为1M KOH，充放电电压为0～0.55V，在25±1℃环境中循环测量三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜的可逆充放电比电容、充放电循环性能及高倍率特性。
性能测试结果如下：
实施例1、实施例2和实施例3的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜2A/g电流密度下放电比电容分别为1900F/g、2000F/g和2025F/g，且2000次循环后放电比电容保持率达95％以上。可见，上述制得的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片复合超级电容器薄膜充放电容量高，循环稳定性好。
实施例1、实施例2和实施例3的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜40A/g电流密度下放电比电容分别为1800F/g、1900F/g和1925F/g，对应的能量和功率密度分别为70Wh/kg和9kW/kg，75Wh/kg和10kW/kg，80Wh/kg和11kW/kg，如下表1所示。可见，上述制得的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片复合超级电容器薄膜高倍率性能好，能量和功率密度高。
这是因为一方面三维多孔纳米镍薄膜提高了整个复合薄膜的导电性，另一方面多孔网络有利于增大薄膜电极和电解液的接触面积，并提供更大有效的活性反应面积，同时为电化学反应提供良好的电子和离子扩散通道，缩短离子的扩散距离，提高超电容性能。
表1为实施例1、实施例2和实施例3三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜在不同放电电流密度下的放电比电容。
表1
Figure BDA0000062041720000061
因此，本发明三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜具有高比电容和高循环寿命、高能量和功率密度特点，在电动汽车、通讯和信号控制等领域具有广阔的应用前景。

Claims (1)

1.一种三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
（1）将氯化铵和氯化镍按重量比5∶1～15∶1溶于去离子水形成含镍盐电解液；
（2）以镍箔为第一工作电极，铂片为第一辅助电极，采用步骤（1）制备的含镍盐电解液，构成电化学双电极体系；在所述的电化学双电极体系中，在第一工作电极上施加阴极电流密度为1.5～3A/cm2，反应60～180s，以阴极产生的氢气为模板，在所述的镍箔上沉积，形成三维多孔纳米镍薄膜；
（3）将硝酸钴和硝酸钠按重量比36∶1溶于去离子水中，得到含钴盐电解液；
（4）以步骤（2）制备的三维多孔纳米镍薄膜为第二工作电极，铂片为第二辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，采用步骤（3）制备的含钴盐电解液，构成电化学三电极体系；在所述的电化学三电极体系中，在第二工作电极上施加阴极电流密度为1～10mA/cm2，反应100～400s，在所述的三维多孔纳米镍薄膜上沉积氢氧化钴纳米片，形成三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜；
所述的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜为：所述的三维多孔纳米镍上复合有所述的氢氧化钴纳米片，所述的三维多孔纳米镍的孔径为5～10μm，所述的氢氧化钴纳米片的片间距为10～300nm；所述的复合薄膜的厚度30～200μm,所述的氢氧化钴纳米片与所述的三维多孔纳米镍的重量比为5∶100～20∶100。
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Granted publication date: 20120808