CN106158401A - 具有层状结构的碱式碳酸盐的新用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有层状结构的碱式碳酸盐作为水系超级电容器、二次电池的负极材料的新用途，属于电极材料领域。以碱溶液为电解液测试时，由具有层状结构的碱式碳酸盐作为负极构成的水系超级电容体系/二次电池体系具有较高的比电容，优异的倍率性能，较好的循环性能。
Description
技术领域
本发明涉及具有层状结构的碱式碳酸盐的新用途，具体涉及具有层状结构的碱式碳酸盐作为水系超级电容器、二次电池的负极材料的应用，属于电极材料领域。
背景技术
层状碱式碳酸盐是碱式碳酸盐中的一类具有特殊结构的化合物，其结构与水滑石类化合物类似，由带正电荷的主体层板与其层间阴离子组成层状结构，目前其应用主要局限于医药、阻燃、催化等领域或用来制备其它无机产品中间体。迄今为止，层状碱式碳酸盐在储能领域中的应用鲜有报道。由于人们对储能设备安全性和绿色环保性的要求，采用水系电解液为电解质的储能体系受到人们的青睐，而目前报道的基于碳电极材料的水系超级电容器的能量密度不能满足人们的需要，因此急需开发可用于水系超级电容器的高比电容非碳电极材料，尤其是非碳负极材料以提高其能量密度。
发明内容
本发明的目的是提供具有层状结构的碱式碳酸盐的一种新用途，具体是具有层状结构的碱式碳酸盐作为水系超级电容器、二次电池的负极材料的应用。
优选的，具有层状结构的碱式碳酸盐纳米片作为水系超级电容器、二次电池的负极材料的应用。
所述具有层状结构的碱式碳酸盐为碱式碳酸钴、碱式碳酸镍、碱式碳酸铋中的任意一种。
文献《铋系层状化合物的结构设计、功能化组装及其光催化性质研究》（程合锋.山东大学,2012.）中指出，碳酸氧铋（Bi2O2CO3，注：即本发明中碱式碳酸铋）的结构由（Bi2O2）2+层与CO3 2-交错排列而成，属于一种层状化合物。其层状结构与水滑石类化合物的层状结构类似，水滑石类化合物是一类具有层状结构的新型无机功能材料，由带正电荷的主体层板与其层间阴离子组成的层状化合物。而要组成水滑石类化合物，只要金属阳离子具有适宜的离子半径（与Mg2 +的离子半径0.072nm相差不大）和电荷数，均可形成水滑石类化合物的层板。而Co2+、Ni2+的离子半径分别为0.069nm，0.0745nm，与Mg2+的离子半径相当，其碱式碳酸盐（碱式碳酸钴、碱式碳酸镍）组分与水滑石类化合物组分类似，且Co、Ni具有与Bi类似的性质，因此碱式碳酸钴和碱式碳酸镍也同样具有层状结构。
与现有材料相比，本发明具有如下优点：
（1）相比目前报道的非碳负极材料，具有层状结构的碱式碳酸盐用作水系超级电容器和二次电池的负极材料可获得较高的比电容（比容量），并具有优异的倍率性能和较好的循环性能；
（2）具有层状结构的碱式碳酸盐用作水系超级电容器和二次电池的负极材料，有利于电解液传质，在碱溶液中的反应电极电势较低，可增大水系超级电容器、二次电池的工作电压，提高其能量密度。
附图说明
图1是实施例1中Bi2O2CO3的层状结构示意图；
图2是实施例1中Bi2O2CO3的透射电镜图；
图3是实施例1中Bi2O2CO3恒电流充放电曲线图；
图4是实施例1中Bi2O2CO3倍率性能图；
图5是实施例1中Bi2O2CO3在20A/g的电流密度下的循环性能图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1
将Bi2O2CO3（碱式碳酸铋）粉末研磨均匀后取9mg粘在泡沫镍集流体上作为工作电极，铂片电极为对电极，Hg/HgO电极为参比电极，6mol/L KOH水溶液为电解液，充放电电压范围为-0.9~0.1V，三电极测试法评估Bi2O2CO3的电化学性能。
Bi2O2CO3的结构示意图、透射电镜图、恒电流充放电曲线图、倍率性能图和循环性能图分别如图1、图2、图3、图4及图5所示。
从图1和图2中可看出Bi2O2CO3为层状的结构；
从图3可看出Bi2O2CO3在碱溶液中的反应电极电势较低，大约在-0.63~-0.57V，在电流密度为1A/g时，其比电容为1045.3F/g（对应比容量为290.4mAh/g），而现有技术中，以Fe2O3为负极的电容体系比电容为约200F/g，以Bi2O3薄膜为负极的电容体系比电容为98F/g，均远远小于本实施例；
从图4可知，1A/g电流密度下，比电容为1045.3F/g（290.4mAh/g），5A/g电流密度下，对应的比电容为877.2F/g（243.7mAh/g），即使在20A/g的高电流密度下，比电容仍达714.4F/g（198.4mAh/g），其比电容保持率为1A/g电流密度下的68.3%，所以可知该层状结构的Bi2O2CO3具有优异的倍率性能；
从图5可知，在20A/g的高电流密度下，首次比电容为714.4F/g（198.4mAh/g），循环了250次后，其比电容仍达670F/g（186.1mAh/g），可知该层状结构的Bi2O2CO3具有较好的循环性能。
实施例2
将碱式碳酸钴[2CoCO3·3Co(OH)2·H2O]粉末研磨均匀后取1.2mg粘在泡沫镍集流体上作为负极，铂片电极为正极，1mol/L LiOH水溶液为电解液，构成水系超级电容体系。
实施例3
将碱式碳酸镍[NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O]粉末研磨均匀后取9mg粘在泡沫镍集流体上作为负极，铂片电极为正极，6mol/L NaOH水溶液为电解液，构成二次电池体系。
实施例4
碱式碳酸铋纳米片制备方法（参照专利文献CN105047421A）：取10mL 0.0192mol/L Bi(NO3)3乙二醇溶液装入15mL烧杯中，将小烧杯移至盛有18mL氨水的100mL水热反应釜内胆，密封后在185℃下保温12h。将溶剂热反应得到的产物离心分离、无水乙醇洗涤后干燥，即得碱式碳酸铋纳米片。
将碱式碳酸铋纳米片的粉末研磨均匀后取9mg粘在泡沫镍集流体上作为负极，铂片电极为正极，6mol/L KOH水溶液为电解液，构成水系超级电容体系。
Claims (3)
1.具有层状结构的碱式碳酸盐作为水系超级电容器、二次电池的负极材料的应用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，具有层状结构的碱式碳酸盐纳米片作为水系超级电容器、二次电池的负极材料的应用。
3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述具有层状结构的碱式碳酸盐为碱式碳酸钴、碱式碳酸镍、碱式碳酸铋中的任意一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161123 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |