CN107068421A - 一种钙掺杂氢氧化钴纳米片电极材料及其制法和在制备超级电容器中的应用 - Google Patents
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Abstract
一种薄片状钙掺杂氢氧化钴电极材料的制备方法，它是将50ml浓度为15‑30g/L的氢氧化钙浆料和50ml浓度为0.2‑0.5mol/L的钴离子溶液混合发生离子交换反应，将搅拌后的后的混合体系进行过滤，洗涤并在80℃烘干即得到钙掺杂的氢氧化钴。该方法得到钙掺杂的氢氧化钴材料作为电极材料应用于超级电容器储能具有比普通方法制备的氢氧化钴更优异的电容性能。
Description
技术领域：
本发明属于无机纳米材料的合成及电化学储能应用领域，涉及一种利用离子交换的方法合成具有纳米片状形貌的钙掺杂的氢氧化钴材料及其在制备电化学超级电容器中的应用。
背景技术：
氢氧化钴是常用的电容器电极材料之一，其具有良好的法拉第反应性能，高理论容量，易于合成，价格低廉，来源丰富，环境友好的综合特性，因此其作为电极材料用于超级电容器储能具有良好的应用前景。然而，氢氧化钴作为电极材料用于超级电容器储能仍然存在着容量低，循环寿命差的问题，这极大的限制了其实际的应用价值。造成氢氧化钴容量低的原因主要是其活性表面积低，而造成循环寿命差的主要原因是其微观的结构和形貌在反复的充放电过程中被破坏从而导致了电活性比表面积的下降，因此其循环寿命会发生衰减。迄今为止，提高氢氧化钴容量的方法主要是设计合成具有高表面积的材料，提高其的循环寿命的方法主要是通过掺杂，在其骨架中掺杂异质离子，用以稳定其微观结构和形貌。肖洋等人的专利(申请号：201610709707.9)报道了一种花状氢氧化钴微球的制备方法，但是制备过程中用到了乙醇胺为沉淀剂，不利于环境友好和大规模制备。唐少春等人的专利(申请号：201110253871.0)报道了一种珊瑚状β-氢氧化钴电极材料的制备方法，但是其所制备的氢氧化钴的电容容量比较低仅有248F/g，这大大限制了其实际应用价值。徐杰等人的专利(申请号：201110144822.3)报道了一种利用表面活性剂模板组装的方法制备了一种具有花状形貌的纳米氢氧化钴材料，但是该方法用到了表面活性剂和有机碱，这大大增加了合成成本，不利于工业级制备。王秀华等人的专利(申请号：201410498484.7)报道了一种六边形氢氧化钴纳米片的制备方法及其电容应用，但是其电容的容量非常低仅有约300F/g，而且其循环寿命仅能维持1200个循环。以上的分析显示，目前报道的氢氧化钴的电容性能尤其是容量和循环寿命还比较差，距离实际的应用还相差较远。另外，目前报道的合成氢氧化钴的方法存在着低效率，成本高，不环保的缺陷，其中大部分报道的合成方法都依赖于额外的热源和碱源，如Yang等人利用微波的方法制备了片状的氢氧化钴并研究了其电容性能，如文献J.Alloys Compd.,2015(644),836-845所述,但是其所得到的材料的电容较低，最高为711F/g，而且其合成方法仅适用于实验室小规模制备，无法量产。如金大庆的专利(申请号：200810120911.2)利用氢氧化钠为碱源制备了一种致密晶型氢氧化钴，但是该方法需要连续精确的调控合成体系的pH值，增加了量产的难度。结合以上分析，用一种简单有效且不依赖于额外的热源和碱源的方法得到具有高循环寿命的掺杂氢氧化钴材料仍然存在挑战。
发明内容：
本发明提供了一种薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料的制备方法及其超级电容器储能性能。这种掺杂功能化的氢氧化钴电极材料可在6.0M KOH电解质中，实现高的电容存储容量(高达805F/g)和优异的循环寿命，在高电流密度下，经过5000次的连续充放电后其容量可以保持在90％以上。
本发明可以通过如下技术方案实现：
一种薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料的制备方法，它包括下列步骤：
步骤1将氢氧化钙粉体通过搅拌分散在水里，形成氢氧化钙的浆料，最终得到的浆料的浓度为15-30g/L；
步骤2、称取可溶性钴盐作为前体，并将其溶解于水和乙醇的混合溶剂中得到含钴的前体溶液，所制备的前体溶液中钴离子的浓度为0.2-0.5mol/L；
步骤3、将50ml步骤2中制备的前体溶液转移到50ml步骤1制备的浆料中继续搅拌进行离子交换反应；
步骤4、将步骤3得到的混合体系进行过滤，洗涤和烘干得到薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料。
上述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料的制备方法，步骤1所述的氢氧化钙的纯度为分析纯，搅拌时间为12-24h。
上述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料的制备方法，步骤2所述的可溶性钴盐为硝酸钴、氯化钴或乙酸钴；所述的溶剂为水和乙醇的混合溶剂，其中水和乙醇的体积比为1:1。
上述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料的制备方法，步骤3所述的离子交换反应时间为6-24h。
一种上述薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料的制备方法制得的薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料。
上述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料在制备超级电容器中的应用。
一种采用上述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料应用于水体系电解质的超级电容器储能的测试方法，它包括下列步骤：
步骤1、将制备的钙掺杂功能化的氢氧化钴材料，导电炭黑和粘结剂(聚四氟乙烯)按照75：20：5的比例进行混合并分散在无水乙醇中得到电极浆料；
步骤2、将步骤1得到的电极浆料涂覆到泡沫钴上，然后在80℃的烘箱里干燥处理24小时得到电极极片，将得到电极极片在10Mpa的压力下进行压实后，利用电化学工作站进行超级电容器储能性能测试。
该方法测试的钙掺杂的氢氧化钴在6.0M KOH电解质中的电容存储容量高达805F/g，在高电流密度下，经过5000次的连续充放电后其容量可以保持在90％以上。
本发明的有益效果在于：
1.本方法采用了价格低廉的无机盐为前体，大大降低了成本，而且本方法的操作简单，无需额外的热源和碱源，便于大规模生产；
2.该方法可以广泛的使用于其他的氢氧化物或氧化物电极材料的合成，如铜，铁，锰等的氢氧化物或氧化物的合成；
3.本电极材料成本低廉，其储能性能优于普通沉淀方法得到的氢氧化钴，具有很好的工业应用前景。
附图说明：
图1是实施例1制备的钙掺杂的氢氧化钴的透射电镜照片。
图2是实施例1制备的钙掺杂的氢氧化钴的高分辨透射电镜照片。
图3是实施例1制备的钙掺杂的氢氧化钴的X射线衍射图。
图4是实施例1制备的钙掺杂的氢氧化钴的氮气吸附等温线。
图5是实施例2得到的钙掺杂的氢氧化钴的透射电镜照片。
图6是实施例3得到的钙掺杂的氢氧化钴的透射电镜照片。
图7是实施例1制备的钙掺杂的氢氧化钴与水热制备的氢氧化钴的超级电容性能的容量随电流密度的变化对比图。
图8是实施例1制备的钙掺杂的氢氧化钴与水热制备的氢氧化钴的超级电容性能的循环寿命图。
具体实施方式：
本发明将用以下的实施例来加以详细的说明，但这些实施例仅是为说明本发明，而本发明并不局限于此。
实施例1
将0.75g氢氧化钙分散于50ml水配制成浓度为30g/L的氢氧化钙浆料，然后将7.25g硝酸钴溶解于50ml水中得浓度为0.5mol/L的前体溶液。将氢氧化钙的浆料和前体的溶液混合搅拌24h。将搅拌后的混合体系进行过滤，洗涤并在80℃烘干即得到薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料。产物的形貌通过透射电镜表征，如图1所示，产物的结晶性通过高倍透射电镜和粉末X射线衍射表征如图2和图3所示，产物的孔结构通过透射电镜和氮气吸附等温线表征如图4所示。
实施例2
将0.75g氢氧化钙分散于50ml水配制成浓度为15g/L的氢氧化钙浆料，然后将1.94g氯化钴溶解于50ml水中得浓度为0.3mol/L的前体溶液。将氢氧化钙的浆料和前体的溶液混合搅拌24h。将搅拌后的后的混合体系进行过滤，洗涤并在80℃烘干即得到薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料。产物的形貌如图5所示。
实施例3
将1.0g氢氧化钙分散于50ml水配制成浓度为15g/L的氢氧化钙浆料，然后将1.76g醋酸钴溶解于50ml水中得浓度为0.2mol/L的前体溶液。将氢氧化钙的浆料和前体的溶液混合搅拌6h。将搅拌后的后的混合体系进行过滤，洗涤并在80℃烘干即得到钙掺杂的氢氧化钴。产物的形貌如图6所示。
超级电容器性能测试利用三电极的方法进行测试，具体的测试过程将用以下的实施例来加以详细的说明。
超级电容器性能测试实施例
将制备的钙掺杂功能化的氢氧化钴材料，导电炭黑和粘结剂(聚四氟乙烯)按照75：20：5的比例进行混合并分散在无水乙醇中得到电极浆料。将得到的电极浆料涂覆到泡沫钴上，然后在80℃的烘箱里干燥处理24小时得到电极极片，将得到电极极片在10Mpa的压力下进行压实后，利用电化学工作站进行超级电容器储能性能测试。超级电容器性能测试的容量和循环寿命数据如图7和图8所示。
Claims (6)
1.一种薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料的制备方法，其特征是它包括下列步骤：
步骤1将氢氧化钙粉体通过搅拌分散在水里，形成氢氧化钙的浆料，最终得到的浆料的浓度为15-30g/L；
步骤2、称取可溶性钴盐作为前体，并将其溶解于水和乙醇的混合溶剂中得到含钴的前体溶液，所制备的前体溶液中钴离子的浓度为0.2-0.5mol/L；
步骤3、将50ml步骤2中制备的前体溶液转移到50ml步骤1制备的浆料中继续搅拌进行离子交换反应；
步骤4、将步骤3得到的混合体系进行过滤，洗涤和烘干得到薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料。
2.根据权利要求1所述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料的制备方法，其特征是：步骤1所述的氢氧化钙的纯度为分析纯，搅拌时间为12-24h。
3.根据权利要求1所述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料的制备方法，其特征是：步骤2所述的可溶性钴盐为硝酸钴、氯化钴或乙酸钴；所述的溶剂为水和乙醇的混合溶剂，其中水和乙醇的体积比为1:1。
4.根据权利要求1所述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料的制备方法，其特征是：步骤3所述的离子交换反应时间为6-24h。
5.一种权利要求1所述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料的制备方法制得的薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料。
6.权利要求5所述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化钴电极材料在制备超级电容器中的应用。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN1443375A (zh) * | 2000-07-18 | 2003-09-17 | 双向电池公司 | 氢氧化镍电极材料及其制造方法 |
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-
2017
- 2017-03-13 CN CN201710144721.3A patent/CN107068421A/zh active Pending
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