CN103762090B - 一种自集流超级电容器电极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自集流超级电容器电极材料及其制备方法。该电极材料由泡沫镍集流体及在其表面原位生长的b-氢氧化镍六边形纳米片组成。该电极材料的制备方法是将导电集流体泡沫镍浸入双氧水溶液中进行低温水热氧化而直接在导电集流体上原位生长b-氢氧化镍六边形纳米片。该电极材料具有比容大、循环稳定性好的特点；且由于活性物质氢氧化镍直接生长在泡沫镍集流体上，因此该电极材料可直接使用，无需额外的集流体、导电添加剂和粘结剂，省去了复杂的电极制备过程，具有自集流的优势。该电极材料的制备方法只涉及廉价的双氧水溶液而无其他化学试剂，从而保证了制备方法的零污染、低成本；制备工序仅涉及水热氧化和真空干燥步骤，操作简单方便、重现性好，易于大批量制备和工业化生产。<u />

Description

一种自集流超级电容器电极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于超级电容器电极材料领域，具体涉及一种自集流超级电容器电极材料及其制备方法。
背景技术
超级电容器是一类介于电池和传统电容器之间的新兴绿色储能装置，具有功率密度高、充电时间短、循环寿命长等优点，广泛用作电动车的驱动电源、移动通讯设备的后备电源等。超级电容器的性能主要取决于其电极材料。常用的超级电容器电极材料主要有碳材料、过渡金属（氢）氧化物和一些导电聚合物，其中氢氧化镍材料以其高的赝电容值和良好可逆性而被认为是一种理想的电极材料。氢氧化镍具有a和b两种结构类型，其中a-氢氧化镍由于很不稳定因此应用价值不大，所以通常应用的多为b-氢氧化镍。b-氢氧化镍通常利用溶胶-凝胶、镍盐溶液水热、电沉积等方法，再经过煅烧、离心分离、清洗等后续处理而制得。虽然这些方法可以制备b-氢氧化镍，但制备过程存在化学试剂使用多、需要后续处理、工序繁琐等问题，制备成本高且易造成污染；并且这些方法制备的b-氢氧化镍尚无法作为超级电容器电极材料直接使用，还需利用额外的集流体、导电添加剂和粘结剂进而通过复杂的电极制备过程而得到。因此，发展可直接作为超级电容器电极材料使用的以b-氢氧化镍为活性物质的自集流超级电容器电极材料以及制备这种电极材料的零污染、低成本、工序简单的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明解决的技术问题是，提供一种以b-氢氧化镍为活性物质的自集流超级电容器电极材料；本发明还提供一种零污染、低成本、工序简单的制备自集流超级电容器电极材料的方法。
解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种自集流超级电容器电极材料，其特征在于，所述电极材料由泡沫镍集流体及在其表面原位生长的b-氢氧化镍六边形纳米片组成。
所述的自集流超级电容器电极材料的方法，包括如下步骤：将清洁的泡沫镍浸于装有双氧水溶液的反应釜中；将反应釜密封后置于150～240℃的烘箱中保温10～30小时，然后冷却到室温、取出泡沫镍，将泡沫镍用纯水冲洗、然后置于60~80℃的真空干燥箱中烘干3~5小时，即得产品。
进一步，所述泡沫镍面积与双氧水溶液体积之间的比例为1:10~1:50。所述双氧水溶液的质量百分浓度为5%~20%。
本发明具有下述有益效果：
1、本发明电极材料由泡沫镍集流体及在其表面原位生长的b-氢氧化镍六边形纳米片组成，具有比容大、循环稳定性好的特点，在5mV/s的扫描速率下比容大于1000F/g，在50mV/s的扫描速率下循环2000次后的比容量保持率在95%以上。并且，由于活性物质氢氧化镍直接生长在泡沫镍集流体上，因此该电极材料可直接使用，无需额外的集流体、导电添加剂和粘结剂，省去了复杂的电极制备过程，具有自集流的优势。
2、本发明制备方法巧妙地利用水热过程中双氧水溶液对泡沫镍的氧化作用，通过将导电集流体泡沫镍浸入双氧水溶液中进行低温水热氧化从而直接制备了由泡沫镍集流体及在其表面原位生长的b-氢氧化镍六边形纳米片组成的自集流电极材料。
3、本发明制备方法只涉及廉价的双氧水溶液而无其他化学试剂，从而保证了制备方法的零污染、低成本；制备工序仅涉及水热氧化和真空干燥步骤，操作简单方便、重现性好，易于大批量制备和工业化生产。
附图说明
图1是本发明制备的自集流超级电容器电极材料XRD衍射图；
图2是本发明制备的自集流超级电容器电极材料的SEM扫描电镜图；
图3是本发明制备的自集流超级电容器电极材料在不同扫描速率下的循环伏安曲线；
图4是本发明制备的自集流超级电容器电极材料的恒流充放电曲线；
图5是本发明制备的自集流超级电容器电极材料在50mV/s扫描速率下的比容量与循环次数的关系图；
图6是本发明制备的自集流超级电容器电极材料在开路电位下的电化学阻抗谱图。
具体实施方式
本发明提供一种自集流超级电容器电极材料及其制备方法。该电极材料由泡沫镍集流体及在其表面原位生长的b-氢氧化镍六边形纳米片组成，其制备方法是将清洁的泡沫镍浸于装有一定浓度双氧水溶液的反应釜中，将反应釜密封后置于烘箱中保温一定时间，然后冷却到室温、取出泡沫镍，将泡沫镍用纯水冲洗、然后置于一定温度的真空干燥箱中烘干，即得产品。下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
将面积为2cm2的清洁泡沫镍浸于装有60cm3、15%（质量百分浓度）双氧水溶液的反应釜中，将反应釜密封后置于180℃的烘箱中保温24小时，然后冷却到室温、取出泡沫镍，将泡沫镍用纯水冲洗、然后置于60℃的真空干燥箱中烘干5小时，即得自集流电极材料。从图1和图2结果可知，该自集流电极材料由泡沫镍集流体及在其表面原位生长的b-氢氧化镍（呈六方结构）六边形纳米片组成。从图3~6性能测试结果可知，该自集流电极材料具有很小的电极阻抗和很高的电子转移率，比容大、循环稳定性好，在5mV/s的扫描速率下比容大于1000F/g，在50mV/s的扫描速率下循环2000次后的比容量保持率在95%以上。
实施例2：
将面积为1cm2的清洁泡沫镍浸于装有50cm3、10%（质量百分浓度）双氧水溶液的反应釜中，将反应釜密封后置于200℃的烘箱中保温20小时，然后冷却到室温、取出泡沫镍，将泡沫镍用纯水冲洗、然后置于70℃的真空干燥箱中烘干4小时，即得由泡沫镍集流体及在其表面原位生长的b-氢氧化镍（呈六方结构）六边形纳米片组成的自集流电极材料。该自集流电极材料具有很小的电极阻抗和很高的电子转移率，比容大、循环稳定性好，在5mV/s的扫描速率下比容大于1000F/g，在50mV/s的扫描速率下循环2000次后的比容量保持率在95%以上。
实施例3：
将面积为3cm2的清洁泡沫镍浸于装有30cm3、5%（质量百分浓度）双氧水溶液的反应釜中，将反应釜密封后置于240℃的烘箱中保温10小时，然后冷却到室温、取出泡沫镍，将泡沫镍用纯水冲洗、然后置于80℃的真空干燥箱中烘干3小时，即得由泡沫镍集流体及在其表面原位生长的b-氢氧化镍（呈六方结构）六边形纳米片组成的自集流电极材料。该自集流电极材料具有很小的电极阻抗和很高的电子转移率，比容大、循环稳定性好，在5mV/s的扫描速率下比容大于1000F/g，在50mV/s的扫描速率下循环2000次后的比容量保持率在95%以上。
实施例4：
将面积为2cm2的清洁泡沫镍浸于装有30cm3、20%（质量百分浓度）双氧水溶液的反应釜中，将反应釜密封后置于150℃的烘箱中保温30小时，然后冷却到室温、取出泡沫镍，将泡沫镍用纯水冲洗、然后置于70℃的真空干燥箱中烘干4小时，即得由泡沫镍集流体及在其表面原位生长的b-氢氧化镍（呈六方结构）六边形纳米片组成的自集流电极材料。该自集流电极材料具有很小的电极阻抗和很高的电子转移率，比容大、循环稳定性好，在5mV/s的扫描速率下比容大于1000F/g，在50mV/s的扫描速率下循环2000次后的比容量保持率在95%以上。
在上述实施例中对所述自集流电极材料进行XRD、SEM及电化学表征所使用的仪器及条件如下：
采用荷兰PanalyticalX'pertProMPDX射线衍射仪测试电极材料的XRD谱图。采用德国ZeissAuriga聚焦离子束扫描电子显微镜测试电极材料的SEM微观形貌。采用德国Autolab电化学工作站测试电极材料的电化学性能，测试体系由三电极组成，工作电极为制备的自集流电极材料，参比电极为Hg/HgO电极，对电极为大面积铂片，电解液为1.0MKOH溶液；循环伏安测试条件为：扫描电位范围为0~0.8V，扫速分别为1mV/s、5mV/s、10mV/s、25mV/s和50mV/s；恒电流充放电性能测试条件为：电位区间为0~0.6V，电流密度分别恒定为1A/g、2A/g、4A/g、10A/g和20A/g；电化学阻抗谱测试条件为：开路电位下稳定10分钟，测量频率范围为105~10-2Hz，所加扰动幅度为±5mV。
由上述实施例可以看出，本发明通过将导电集流体泡沫镍浸入双氧水溶液中进行低温水热氧化而制备的由泡沫镍集流体及在其表面原位生长的b-氢氧化镍（呈六方结构）六边形纳米片组成的自集流电极材料，具有很小的电极阻抗和很高的电子转移率，比容大、循环稳定性好；该自集流电极材料可直接使用，无需额外的集流体、导电添加剂和粘结剂，省去了复杂的电极制备过程。该自集流电极材料的制备方法只涉及廉价的双氧水溶液而无其他化学试剂，从而保证了制备方法的零污染、低成本；制备工序仅涉及水热氧化和真空干燥步骤，操作简单方便、重现性好，易于大批量制备和工业化生产。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，其他依据本发明技术方案进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种制备自集流超级电容器电极材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：将清洁的泡沫镍浸于装有双氧水溶液的反应釜中；将反应釜密封后置于150～240℃的烘箱中保温10～30小时，然后冷却到室温、取出泡沫镍，将泡沫镍用纯水冲洗、然后置于60~80℃的真空干燥箱中烘干3~5小时，即得产品。
2.根据权利要求1所述的制备自集流超级电容器电极材料的方法，其特征在于，所述泡沫镍面积与双氧水溶液体积之间的比例为1:10~1:50cm2/cm3。
3.根据权利要求1所述的制备自集流超级电容器电极材料的方法，其特征在于，所述双氧水溶液的质量百分浓度为5%~20%。
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