CN104022274A - 用于制作电极的多孔金属复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于制作电极的多孔金属复合材料，呈三维网状，开孔率为80~98%，厚度为0.1~0.5mm，平均孔径为100~500μm，在表面覆载厚度为0.01~0.05mm的石墨烯。上述材料的制备方法，在多孔金属材料作表面还原处理之后，将材料置于充入保护气体的化学气相沉积处理装置中，在300~500℃温度下，充入0.1~0.5MPa的常温为气态的烃类气体，并保温5~10h；冷却后，材料再经碱液清洗——水洗——干燥即可。本发明的用于制作电极的多孔金属复合材料具有较低的化学内阻，可有效提高电池电容量，缩短电池的充电时间。

Description

用于制作电极的多孔金属复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于制作电极的多孔金属复合材料及其制备方法。
背景技术
随着全球能源危机以及地球环境恶化问题的日趋严重，人们越来越重视新能源的使用，其中化学储能是目前应用最广泛、最成熟的技术之一。目前的新型化学储能元器件主要是各类型的化学电源及物理储电器件等。制作化学电源的正极电极材料主要使用泡沫多孔金属材料作为载体，然而多孔金属材料局限于技术的发展，无法有效改善材料本身的化学电阻，因此严重限制了化学电源的发展。
发明内容
本发明旨在提供一种具有较低化学电阻、可提高电池电容量、提高电池充电效率的多孔复合电极材料及其制备方法。
本发明通过以下方案实现：
一种用于制作电极的多孔金属复合材料，呈三维网状，开孔率为80~98%，厚度为0.1~0.5mm，平均孔径为100~500μm，在表面覆载厚度为0.01~0.05mm的石墨烯。
上述材料的制备方法，多孔金属材料作表面还原处理之后，将材料置于充入保护气体的化学气相沉积处理装置中，在300~500℃温度下，充入0.1~0.5MPa的常温为气态的烃类气体，并保温5~10h；冷却后，材料再经碱液清洗——水洗——干燥即可。
考虑到制造成本，所述烃类气体一般采用甲烷、乙炔、丙烯中的一种或多种混合气体。
所述保护气体为氢气、氮气或惰性气体的一种或多种混合气体。
与现有技术相比，本发明的优点体现于：
1. 本发明的用于制作电极的多孔金属复合材料，通过在表面上覆载厚度0.01~0.05mm的石墨烯后，发现材料大大提升了电极材料的电子传导效率，可有效降低电极材料本身的化学内阻；另外，用于制作电极的多孔金属复合材料的厚度只有0.1~0.5mm，使用本发明材料制备超级电容器或镍氢动力电池等化学电源，可在较短时间内完成充电过程，提高充电效率，同时电容量可提升20%以上。
２.本发明提供的方法，工艺简单，制造成本低，易实现工业化生产。
附图说明
图1：本发明实施例１材料的外观示意图
图2：本发明实施例１材料的微观结构图 。
具体实施方式
实施例1
一种用于制作电极的多孔镍复合材料的制备方法，将开孔率为80%，厚度为0.1mm，平均孔径为100μm的泡沫镍材料置于温度为500℃，具有氢气还原气氛的热处理炉中进行表面还原处理3小时之后，将材料置于充入氢气与氮气的混合气体的化学气相沉积处理装置中，在300℃温度下，充入0.1MPa的甲烷气体，并保温10h，冷却后，材料再经碱液清洗，经水洗后干燥即可。
实施例2
实施例１方法制备得到的用于制作电极的多孔镍复合材料，其外观示意图如图1所示，在电镜下观察的微观结构图如图2所示。通过检测，用于制作电极的多孔镍复合材料表面覆载的石墨烯厚度为0.01mm。
将实施例１方法制备得到的用于制作电极的多孔镍复合材料与常规的泡沫镍材料进行对比检测，其检测结果见表一所示。从表一中的检测结果对比看出，本发明的用于制作电极的多孔镍复合材料其化学内阻比常规的泡沫镍低18%。
表一  不同材料的性能对比检测结果
将本发明的用于制作电极的多孔镍复合材料与常规的泡沫镍材料按相同工艺制成锂离子063048S电池，使用5C充放电进行循环寿命以及使用5C充电将电量从10%充到80%的充电时间对比检测，其检测结果见表二所示。从表二中的检测结果对比看出，使用本发明的用于制作电极的多孔镍复合材料制成的电池其5C充放电循环寿命次数比使用常规泡沫镍材料制成的电池高66.7%，其电量从10%充到80%的充电时间缩短了20%。
表二  不同材料制成的电池性能对比检测结果
实施例3
一种用于制作电极的多孔镍复合材料的制备方法，将开孔率为88%，厚度为0.3mm，平均孔径为300μm的泡沫镍材料置于温度为650℃，具有氢气还原气氛的热处理炉中进行表面还原处理4小时之后，将材料置于充入氮气与惰性气体的混合气体的化学气相沉积处理装置中，在400℃温度下，充入0.3MPa的乙炔气体，并保温8h，冷却后，材料再经碱液清洗，经水洗后干燥即可。
按上述方法制备得到的用于制作电极的多孔镍复合材料，经检测其表面覆载的石墨烯厚度为0.03mm。
实施例4
一种用于制作电极的多孔镍复合材料的制备方法，将开孔率为98%，厚度为0.5mm，平均孔径为500μm的泡沫镍材料置于温度为800℃，具有氢气还原气氛的热处理炉中进行表面还原处理5小时之后，将材料置于充入氮气气体的化学气相沉积处理装置中，在500℃温度下，充入0.5MPa的丙烯气体，并保温5h，冷却后，材料再经碱液清洗，经水洗后干燥即可。
按上述方法制备得到的用于制作电极的多孔镍复合材料，经检测其表面覆载的石墨烯厚度为0.05mm。
实施例5
一种用于制作电极的多孔铜复合电极材料，其方法同实施例1基本相同，不同之处在于：采用的基体材料为泡沫铜材料。
按上述方法制备得到多孔铜复合电极材料，经检测其表面覆载的石墨烯厚度为0.02mm。
 
对比实施例1
使用如实施例1中所述的方法制备用于制作电极的多孔镍复合电极材料，其表面覆载的石墨烯厚度为0.005mm。
对比实施例2
使用如实施例1中所述的方法制备用于制作电极的多孔镍复合电极材料，其表面覆载的石墨烯厚度为0.1mm。
将实施例2、实施例3、实施例4、对比实施例1、对比实施例2的用于制作电极的多孔镍复合材料，进行性能对比检测，其检测结果见表三所示。从表三中的检测结果对比看出，石墨烯厚度在0.01mm~0.05mm的多孔镍复合材料的化学内阻值均低于85Ω，比石墨烯厚度低于0.01mm或高于0.05mm的多孔镍复合材料的化学内阻值低。
表三  石墨烯厚度不同的材料的性能对比检测结果
将实施例2、实施例3、实施例4、对比实施例1、对比实施例2的用于制作电极的多孔镍复合材料，按相同工艺制成锂离子063048S电池，使用5C充放电进行循环寿命以及使用5C充电将电量从10%充到80%的充电时间对比检测，其检测结果见表四所示。从表四中的检测结果对比看出，使用石墨烯厚度在0.01mm~0.05mm之间的多孔镍复合材料制成的电池其5C充放电循环寿命次数都在500次以上，比使用石墨烯厚度低于0.01mm或高于0.05mm的多孔镍复合材料制成的电池高；使用石墨烯厚度在0.01mm~0.05mm之间的多孔镍复合材料制成的电池其电量从10%充到80%的充电时间都在12分钟左右，比使用石墨烯厚度低于0.01mm或高于0.05mm的多孔镍复合材料制成的电池的充电时间短20%以上。
表四  石墨烯厚度不同的材料制成的电池性能对比检测结果

Claims (4)

1.一种用于制作电极的多孔金属复合材料，其特征在于：呈三维网状，开孔率为80~98%，厚度为0.1~0.5mm，平均孔径为100~500μm，在表面覆载厚度为0.01~0.05mm的石墨烯。
2. 一种如权利要求1所述的用于制作电极的多孔金属复合材料的制备方法，其特征在于：在多孔金属材料作表面还原处理之后，将材料置于充入保护气体的化学气相沉积处理装置中，在300~500℃温度下，充入0.1~0.5MPa的常温为气态的烃类气体，并保温5~10h；冷却后，材料再经碱液清洗——水洗——干燥。
3.如权利要求2所述的用于制作电极的多孔金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述烃类气体为甲烷、乙炔、丙烯中的一种或多种混合气体。
4.如权利要求2或3所述的用于制作电极的多孔金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述保护气体为氢气、氮气或惰性气体的一种或多种混合气体。
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