CN103553151A - 一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法 - Google Patents

一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法，包括以下步骤：(1)将四水合乙酸镍溶解于乙二醇和水的混合液中，搅拌后加入葡萄糖，再继续搅拌，制得混合溶液；(2)将上述混合溶液倒入水热反应釜中，保持80％填充度，100-200℃下反应2-48小时，然后冷却水热反应釜至室温，得到反应产物；(3)离心步骤(2)所得反应产物，并洗涤、干燥，将干燥后的样品煅烧，即得到超级电容器电极材料氧化镍。与现有技术相比，本发明制备得到的NiO电极材料为多孔花状结构，不仅具有较高比电容，同时具有良好的电化学稳定性，是一种优良的超级电容器电极材料。

Description

一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法
技术领域
本发明涉及一种电极材料的制备方法，尤其是涉及一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法。
背景技术
随着社会的发展，人们对能源需求也越多，但是由于传统的化石能源不能再生，并且给环境带来严重的污染，因此人们在寻求环境友好的、可再生的、利用率高的新能源。伴随新能源的开发，也迫切需要开发新的高效、低成本、环保、高性能的能源转换和储存系统，因此，超级电容器应运而生。超级电容器也称电化学电容器，它是一种在性能上比传统电容器更优异的电容器，比传统的电容器能量密度高上百倍，同时又具有功率密度高、可快速充放电、使用寿命长、维护简单等优点，被广泛应用于电动汽车，信息技术，移动通讯设备，国防科技等领域，从而引起了科研工作者的广泛关注(林立华，等.应用化工,2011,40(6)∶1095-1099；庞旭，等.表面技术,2009,38(3)∶77-79；张治安，材料导报,2004,18(7)∶30-33)。
超级电容器的电极材料主要有三种：碳材料、导电聚合物、过渡金属氧化物。其中过渡金属氧化物由于具有高的比电容和优异的循环可逆性，因此被认为是理想的电极材料。
在过渡金属氧化物中，氧化镍(NiO)由于具有环境友好，低成本，容易合成，最重要的是，NiO具有很高的理论比电容(2584F/g)，这些优点使NiO成为一种最可能实际应用的理想电极材料。到目前研究为止，已经制备了多种不同形貌和结构的NiO电极材料，但是所获得的实际比电容远低于理论比电容，因此需要进一步研究氧化镍电极材料的合成，从而提高其比电容。
中国专利CN102874884A公布了一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法，包括：将六水合硝酸镍Ni(NO3)2·6H2O和聚乙烯吡咯烷酮PVP溶解于甲醇和水中，并搅拌，制得混合溶液；然后将上述混合溶液倒入聚四氟乙烯水热反应釜中，在150-200℃水热条件下反应3-24小时，后冷却反应釜至室温，离心所得到的产物，洗涤，干燥；将干燥后的样品煅烧；所得到的样品为超级电容器电极材料。本发明的方法简单、绿色环保，低成本，适于大规模生产，制备得到的多孔花状NiO电极材料不仅具有较高比电容，同时具有良好的电化学稳定性，是一种优良的超级电容器电极材料。但该方法采用了甲醇作为反应溶剂，而甲醇是一种易挥发的有毒溶剂，因为沸点较低，在高温下反应容易产生危险。并且该方法制备的花状氧化镍的比电容不高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多孔花状超级电容器电极材料氧化镍(NiO)的制备方法，该方法可以显著提高NiO电极材料的比电容和循环稳定性，同时可以简单，快速，大规模制备该材料而满足实际应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将四水合乙酸镍(C4H6NiO4·4H2O)溶解于乙二醇和水的混合液中，搅拌5-60分钟后加入葡萄糖，再继续搅拌5-60分钟，制得混合溶液；
(2)将上述混合溶液倒入水热反应釜中，保持80％填充度，将水热反应釜放入鼓风干燥箱中，100-200℃下反应2-48小时，然后冷却水热反应釜至室温，得到反应产物；
(3)离心步骤(2)所得反应产物，并洗涤、干燥，将干燥后的样品煅烧，即得到超级电容器电极材料氧化镍。
步骤(1)所述的四水合乙酸镍与葡萄糖的配比为2～8mmol/O.001～0.05g。
步骤(1)中乙二醇与水的体积比为20∶1～0.05∶1。
所述的水热反应釜为聚四氟乙烯衬底的水热反应釜。
步骤(3)所述的洗涤为分别用去离子水和乙醇洗涤。
步骤(3)所述的煅烧的温度为300-500℃，煅烧的时间为20-600分钟，煅烧是在马弗炉中进行的。
步骤(3)制得的超级电容器电极材料氧化镍是由超薄多孔纳米片组装成的花状结构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、用本发明的方法制备得到的NiO电极材料为多孔花状结构，不仅具有较高比电容，比电容高达912F/g，比中国专利CN102874884A报道的比电容大约要高20％以上，同时具有良好的电化学稳定性，经过2000次循环后，比电容损失不到9％，是一种优良的超级电容器电极材料。
2、本发明NiO的制备方法简单、绿色环保、成本低，有利于NiO在超级电容器产业中的大规模应用。反应采用的表面活性剂是葡萄糖，葡萄糖具有价格便宜，原料易得等特点，葡萄糖在反应中主要起到控制氧化镍前体(氢氧化镍)形成超薄片状形貌，并且葡萄糖分子也是片状结构的组成成分之一，经过焙烧后，变成二氧化碳，因此在氧化镍片状结构中有许多细孔，因此大大的提高了氧化镍的比表面，从而大大提高了其比电容。相比于中国专利CN102874884A采用的聚乙烯吡咯烷酮PVP作为表面活性剂，葡萄糖用量少，并且价格便宜。本发明采用的反应溶剂是水和乙二醇，乙二醇沸点高，毒性低，具有相对安全环保等特点。而中国专利CN102874884A采用了水和甲醇作为反应溶剂，而甲醇是一种易挥发的有毒溶剂，因为沸点较低，在高温下反应容易产生危险。
附图说明
图1为本发明中制备的电极材料氧化镍的低倍SEM图片；
图2为本发明中制备的电极材料氧化镍的高倍SEM图片；
图3为本发明中制备的电极材料氧化镍的TEM图片；
图4为本发明中制备的电极材料氧化镍的循环伏安图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)称取四水合乙酸镍(C4H6NiO4·4H2O)5mmo1溶解于10mL乙二醇和36mL水组成的混合液中，搅拌20分钟，乙酸镍完全溶解，然后加入0.005g葡萄糖，再继续搅拌10分钟，制得混合溶液；
(2)将上述混合溶液倒入聚四氟乙烯水热反应釜中，保持80％填充度，将所述水热反应釜放入鼓风干燥箱中，180℃下反应16小时，然后冷却反应釜至室温；
(3)离心步骤(2)所得到的产物，分别用去离子水和乙醇洗涤，并干燥；将干燥后的样品放入马弗炉中在450℃煅烧2小时；所得到的最终样品为超级电容器电极材料氧化镍。
本实施例制得的超级电容器电极材料氧化镍的SEM图如图1、图2所示，氧化镍组装形成了一个个相对比较规整的花，花的直径大约在5-9μm，花是由超薄的纳米片组装而成，纳米片堆叠在一起，形成了疏松的花状结构，纳米片有许多细孔，因此具有很大的比表面积。
超级电容器电极材料氧化镍的TEM图如图3所示，氧化镍是由许多超薄的片组成，通过TEM图可以看出片上有许多孔，因此制备的氧化镍电极材料具有很大的比表面积。
超级电容器电极材料氧化镍的循环伏安图如图4所示，从图中可以看出，在扫描速度为50mV/s，制备的氧化镍电极材料的比电容高达912F/g，比中国专利CN102874884A报道的比电容大约要高20％以上。因此，采用本发明方法，可以大大提高氧化镍电极材料的比电容。并且采用的表面活性剂价廉易得，用量少，反应溶剂相对安全和环保。
实施例2
(1)称取四水合乙酸镍(C4H6NiO4·4H2O)3mmol溶解于23mL乙二醇和23mL水组成的混合液中，搅拌10分钟，乙酸镍完全溶解，然后加入0.010g葡萄糖，再继续搅拌20分钟，制得混合溶液；
(2)将上述混合溶液倒入聚四氟乙烯水热反应釜中，保持80％填充度，将所述水热反应釜放入鼓风干燥箱中，160℃下反应24小时，然后冷却反应釜至室温。
(3)离心所得到的产物，分别用去离子水和乙醇洗涤，并干燥；将干燥后的样品放入马弗炉中在450℃煅烧1小时；所得到的最终样品为超级电容器氧化镍电极材料。
实施例3
(1)称取四水合乙酸镍(C4H6NiO4·4H2O)6mmol溶解于30mL乙二醇和16mL水组成的混合液中，搅拌30分钟，乙酸镍完全溶解，然后加入0.005g葡萄糖，再继续搅拌20分钟，制得混合溶液；
(2)将上述混合溶液倒入聚四氟乙烯水热反应釜中，保持80％填充度，将所述水热反应釜放入鼓风干燥箱中，180℃下反应12小时，然后冷却反应釜至室温。
(3)离心所得到的产物，分别用去离子水和乙醇洗涤，并干燥；将干燥后的样品放入马弗炉中在450℃煅烧3小时；所得到的最终样品为超级电容器氧化镍电极材料。
实施例4
一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将四水合乙酸镍(C4H6NiO4·4H2O)2mmol溶解于乙二醇和水的混合液中，其中，乙二醇与水的体积分别为20ml与1ml，搅拌5分钟后加入葡萄糖0.001g，再继续搅拌5分钟，制得混合溶液；
(2)将上述混合溶液倒入聚四氟乙烯衬底的水热反应釜中，保持80％填充度，将水热反应釜放入鼓风干燥箱中，100℃下反应48小时，然后冷却水热反应釜至室温，得到反应产物；
(3)离心步骤(2)所得反应产物，并分别用去离子水和乙醇洗涤、干燥，将干燥后的样品放在马弗炉中，在300℃下煅烧600分钟，即得到超级电容器电极材料氧化镍。
步骤(3)制得的超级电容器电极材料氧化镍是由超薄多孔纳米片组装成的花状结构。
实施例5
一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将四水合乙酸镍(C4H6NiO4·4H2O)8mmol溶解于乙二醇和水的混合液中，其中，乙二醇与水的体积分别为5ml与100ml，搅拌60分钟后加入葡萄糖0.05g，再继续搅拌60分钟，制得混合溶液；
(2)将上述混合溶液倒入聚四氟乙烯衬底的水热反应釜中，保持80％填充度，将水热反应釜放入鼓风干燥箱中，200℃下反应2小时，然后冷却水热反应釜至室温，得到反应产物；
(3)离心步骤(2)所得反应产物，并分别用去离子水和乙醇洗涤、干燥，将干燥后的样品放在马弗炉中，在500℃下煅烧20分钟，即得到超级电容器电极材料氧化镍。
步骤(3)制得的超级电容器电极材料氧化镍是由超薄多孔纳米片组装成的花状结构。

Claims (7)

1.一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将四水合乙酸镍溶解于乙二醇和水的混合液中，搅拌后加入葡萄糖，再继续搅拌，制得混合溶液；
(2)将上述混合溶液倒入水热反应釜中，保持80％填充度，100-200℃下反应2-48小时，然后冷却水热反应釜至室温，得到反应产物；
(3)离心步骤(2)所得反应产物，并洗涤、干燥，将干燥后的样品煅烧，即得到超级电容器电极材料氧化镍。
2.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的四水合乙酸镍与葡萄糖的配比为2～8mmol/0.001～0.05g。
3.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法，其特征在于，步骤(1)中乙二醇与水的体积比为20∶1～0.05∶1。
4.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法，其特征在于，所述的水热反应釜为聚四氟乙烯衬底的水热反应釜。
5.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的洗涤为分别用去离子水和乙醇洗涤。
6.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的煅烧的温度为300-500℃，煅烧的时间为20-600分钟。
7.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极材料氧化镍的制备方法，其特征在于，步骤(3)制得的超级电容器电极材料氧化镍是由超薄多孔纳米片组装成的花状结构。
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