CN109767930A - 一种基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法 - Google Patents

一种基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，包括：a.通过一步水热的方法在三维泡沫镍基底上生长得到CoO的前驱体Co2(OH)2(CO3)2，取出前驱体，洗涤后干燥过夜。b.将a所得到的前驱体负载的泡沫镍置于管式炉中，在氮气气氛保护下于350℃煅烧2h，得到CoO纳米阵列电极材料。c.在组装超级电容器所用电解液KOH中加入氧化还原活性物质K3[Fe(CN)6]/K2S2O8。d.使用b中的电极材料与c中的电解质组装成三电极体系。通过构建这种体系，有效缩短充电时间并延长放电时间，使库伦效率大于100％。该电极材料具有优异的容量、倍率和循环性能，在1A/g的电流密度下其比容量具有2121F/g；在5A/g电流密度下充放电循环10000圈后，其比容量保持在84.5％以上。

Description

一种基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法
技术领域
本发明属于超级电容器电极及电解质制备技术领域，具体涉及一种基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，并且将此体系应用于超级电容器。
背景技术
超级电容器由于功率密度高、使用寿命长、维护成本低、可靠性高，以及环境友好的优点而逐步成为最具有潜力的能量储存器件之一。过渡金属氧化物因为可以提供较多的氧化还原反应而备受青睐，成为研究的热门。其中，钴基材料如钴氧化物和氢氧化物是有吸引力的赝电容电极材料，因其具有高电化学活性以及合成方法简便等优点。具有钴基纳米结构的电极材料，可以通过双层和氧化还原反应在电极表面上存储电荷。钴基氧化物的理论比容量很多高达3000F/g。优异电化学活性的电极材料是制备高性能超级电容器重要因素之一，另外，同样需要引起人们关注的是与电极材料表面接触的电解质的性质，使电解质也可以提供额外的氧化还原反应进而利用电极和电解质的协同效用来共同达到增强电容器电化学性质的目的。因此，在合成氧化亚钴电极材料的基础上，于电解质中加入活性物质K3[Fe(CN)6]/K2S2O8，通过构建这种体系，可以有效缩短充电时间并延长放电时间，使库伦效率大于100％。CoO电极材料在1A/g的电流密度下其比容量具有2121F/g。在5A/g电流密度下充放电循环10000圈后，比容量保持在84.5％以上。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，该方法的优点主要有：直接在预处理泡沫镍上生长活性材料，方法简单操作便捷且无需使用导电剂和粘结剂，比传统涂覆工艺的有更好的重现性，直接生长还可以降低活性材料与基底之间的阻力，可直接用作超级电容器的电极材料。氧化还原电解质制备方面，于配置好的电解质中加入氧化还原活性物质，操作简单，可直接与制备的电极材料组装超级电容器。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法。首先，采用水热法在泡沫镍表面上直接生长氧化亚钴纳米线阵列作为超级电容器的电极。然后直接在电解质中加入氧化还原活性物质的方法来制备氧化还原活性电解质。本发明中，氧化还原活性物质选用铁离子与过硫酸根氧化还原活性物质，具体为铁氰化钾与过硫酸钾氧化还原活性物质。
本发明通过以下技术方案来实现，步骤包括：
a.将预处理的泡沫镍和按照一定比例配置的六水合硝酸钴、尿素、氟化铵水溶液置于水热釜中，在温度为120℃下反应6-12h；冷却至室温，取出泡沫镍并依次使用去离子水、乙醇清洗干净，真空干燥过夜，即得到一维纳米线前驱体Co2(OH)2(CO3)2负载的泡沫镍；
b.将步骤a中制得的一维纳米线前驱体Co2(OH)2(CO3)2负载的泡沫镍放在管式炉中，在N2气氛保护下于350℃煅烧2h，即得到氧化亚钴纳米电极材料；
c.往配置好的KOH电解液里加入0.01-0.03mol/L的K3[Fe(CN)6]/K2S2O8活性物质。
其中：
所述步骤a中，泡沫镍预处理的具体步骤为将泡沫镍依次放入稀盐酸、无水乙醇、蒸馏水中进行超声波清洗，超声清洗时间分别为10-30min。水热反应的具体时间为6、9、10、12h。
所述稀盐酸的浓度为1、2、3mol/L。
所述步骤a中按照一定比例配置的六水合硝酸钴、尿素、氟化铵水溶液其用量分别为2mmol、10mmol、5mmol，溶剂去离子水的体积为70mL。
所述步骤a中，六水合硝酸钴、尿素、氟化铵混合水溶液中三者的摩尔比为2:10:5。
所述步骤b中，煅烧时的升温速率为2℃/min。
所述步骤c中，所配置电解液的浓度为2mol/L，k3[Fe(CN)6]/K2S2O8活性物质的浓度为0.01、0.02、0.03mol/L。
所述步骤c中，K3[Fe(CN)6]/K2S2O8两种活性物质的摩尔比为1:1。
本发明的氧化亚钴电极材料及氧化还原电解质的应用，所述氧化亚钴电极材料及氧化还原电解质应用于超级电容器中，作为超级电容器的电极及电解液添加剂。
有益效果：本发明提供的一种基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，与现有的技术相比本发明的优点在于：
1.)直接在泡沫镍上生长活性材料，方法简单操作便捷且无需使用导电剂和粘结剂，比传统涂覆工艺的有更好的重现性，直接生长还可以降低活性材料与基底之间的接触阻力，可直接用作超级电容器的电极材料。
2.)泡沫镍作为基底，其导电性好，有利于提供良好的电子传输路径。且其易于与活性物质牢固结合。
3.)通过一步水热煅烧方法合成氧化亚钴电极材料，一维纳米线阵列结构有利于离子的传输，有效提高电化学性能。
4.)煅烧之后，一维纳米线阵列结晶性变好，且纳米线从无序的往四周方向生长变成有序的直立生长，这种结构的改善不仅能够增加活性物质与电解质的接触还可以提升材料的循环性能，总体提高材料的电化学性质。
5.)氧化还原活性物质加入电解质中，可以利用电极材料与电解质之间的协同效应提升超级电容器的活性、容量等电化学性质。
6.)所制备电极材料直接作为电极组装超级电容器时：在1A/g的电流密度下其比容量具为2121F/g。在5A/g电流密度下充放电循环10000圈后，其比容量保持在84.5％以上。
7.)氧化还原活性电解质的添加可有效缩短充电时间，延长放电时间，使库伦效率大于百分之百。
附图说明
图1为制备的氧化亚钴电极材料与汞氧化汞(Hg/HgO)电极、铂电极(Pt)于制得的高活性电解质中组装成三电极体系示意图。
图2为制备的基于泡沫镍基底生长的氧化亚钴电极材料电极在纯KOH电解质中的充放电曲线图。
图3为制备的于泡沫镍基底生长的氧化亚钴电极材料在纯KOH电解质与加入活性添加剂K3[Fe(CN)6]/K2S2O8的KOH电解质中的循环对比图。1代表电极在高活性电解质中5A/g的放电循环曲线，2代表在电解质KOH中5A/g的放电循环曲线。3代表在高活性电解质中5A/g的充电循环曲线。从图中可以看出活性物质的添加延长了充电时间缩短了放电时间。
图4为电极材料在纯KOH电解质与加入活性添加剂K3[Fe(CN)6]/K2S2O8的KOH电解质中的库伦效率图。1代表电极在高活性电解质中5A/g的充电循环曲线，2代表在高活性电解质中5A/g的放电循环曲线，3代表库伦效率。
具体实施方式
本发明提供一种基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，此方法可以延长电极材料的放电时间，缩短充电时间，主要解决在超级电容器在充放电过程中的效率问题，使库伦效率大于100％，可以达到的库伦效率约为110％。且该电极材料具有优异的容量、倍率和循环性能。
下面对本发明具体实施例进行详细说明。
实施例1
a.泡沫镍预处理：将其依次用3mol/L稀盐酸、无水乙醇、去离子水各超声30min，真空干燥。配置反应溶液：称取0.58g六水合硝酸钴、0.15g氟化铵和0.6g尿素加入70mL H2O中搅拌至溶解，倒入100mL的水热反应釜中，再将预处理后的4cm2泡沫镍置于其中，120℃下反应9h，冷却至室温，取出泡沫镍清洗干净，真空干燥过夜，即得到一维纳米线前驱体Co2(OH)2(CO3)2负载的泡沫镍。
b.再将上述步骤a中制备的前驱体Co2(OH)2(CO3)2负载的泡沫镍置于管式炉中，350℃煅烧2h，即得到氧化亚钴纳米电极材料。
c.氧化还原活性电解质的配置：将0.49g铁氰化钾和0.41g过硫酸钾加入配置好的50mL的2mol/L的KOH电解质溶液中。
d.超级电容器组装：工作电极为基于泡沫镍基底生长的氧化亚钴电极，对电极为铂电极，参比电极为汞/氧化汞电极，电解液为c中配置的氧化还原活性电解质。
该实施例制备成的超级电容器，在1A/g的电流密度下其比容量具为2121F/g。在5A/g电流密度下充放电循环10000圈后，其比容量保持在84.5％以上。在电解质中加入活性物质后，其库伦效率约为110％。
图2为电极在不同电流密度(1、2、5、8和10A/g)下于纯KOH电解液中的充放电曲线，曲线为非线性对称，说明材料的可逆性高以及比容量以赝电容为主。
图3为电极材料在纯KOH电解质与加入活性添加剂K3[Fe(CN)6]/K2S2O8的KOH电解质中的循环对比图，从图中可以看出活性物质的加入可以提升放电容量，减小充电容量。
图4为电极材料在纯KOH电解质与加入活性添加剂K3[Fe(CN)6]/K2S2O8的KOH电解质中的库伦效率图，从图中可以看出，电极材料的库伦效率约为110％。
实施例2
a.泡沫镍预处理：将其依次用2mol/L稀盐酸、无水乙醇、去离子水各超声20min，真空干燥。配置反应溶液：称取0.58g六水合硝酸钴、0.15g氟化铵和0.6g尿素加入70mL H2O中搅拌至溶解，倒入100mL的水热反应釜中，再将预处理后的4cm2泡沫镍置于其中，120℃下反应6h，冷却至室温，取出泡沫镍清洗干净，真空干燥过夜，即得到一维纳米线前驱体Co2(OH)2(CO3)2负载的泡沫镍。
b.再将上述步骤a中制备的一维长棒纳米氧化亚铜/铜负载的泡沫镍置于管式中，350℃煅烧2h，即得到氧化亚钴纳米电极材料。
c.氧化还原活性电解质的配置：将0.33g K3[Fe(CN)6]和0.27g过硫酸钾K2S2O8加入配置好的50mL的2mol/L的KOH电解质溶液中。
d.超级电容器组装：工作电极为基于泡沫镍基底生长的氧化亚钴电极，对电极为铂电极，参比电极为汞/氧化汞电极，电解液为c中配置的氧化还原活性电解质。
该实施例制备成的超级电容器，在1A/g的电流密度下其比容量具为1263F/g。在5A/g电流密度下充放电循环10000圈后，其比容量保持在60.5％以上。在电解质中加入活性物质后，其库伦效率约为107％。
实施例3
a.泡沫镍预处理：将其依次用1mol/L稀盐酸、无水乙醇、去离子水各超声10min，真空干燥。配置反应溶液：称取0.58g六水合硝酸钴、0.15g氟化铵和0.6g尿素加入70mL H2O中搅拌至溶解，倒入100mL的水热反应釜中，再将预处理后的4cm2泡沫镍置于其中，120℃下反应10h，冷却至室温，取出泡沫镍清洗干净，真空干燥过夜，即得到一维纳米线前驱体Co2(OH)2(CO3)2负载的泡沫镍。
b.再将上述步骤a中制备的一维长棒纳米氧化亚铜/铜负载的泡沫镍置于管式炉中，350℃煅烧2h，即得到氧化亚钴纳米电极材料。
c.氧化还原活性电解质的配置：将0.16g铁氰化钾和0.14g过硫酸钾加入配置好的50mL的2mol/L的KOH电解质溶液中。
d.超级电容器组装：工作电极为基于泡沫镍基底生长的氧化亚钴电极，对电极为铂电极，参比电极为汞/氧化汞电极，电解液为c中配置的氧化还原活性电解质。
该实施例制备成的超级电容器，在1A/g的电流密度下其比容量具为1896F/g。在5A/g电流密度下充放电循环10000圈后，其比容量保持在70.4％以上。在电解质中加入活性物质后，其库伦效率约为103％。
实施例4
a.泡沫镍预处理：将其依次用1mol/L稀盐酸、无水乙醇、去离子水各超声30min，真空干燥。配置反应溶液：称取0.58g六水合硝酸钴、0.15g氟化铵和0.6g尿素加入70mL H2O中搅拌至溶解，倒入100mL的水热反应釜中，再将预处理后的4cm2泡沫镍置于其中，120℃下反应12h，冷却至室温，取出泡沫镍清洗干净，真空干燥过夜，即得到一维纳米线前驱体Co2(OH)2(CO3)2负载的泡沫镍。
b.再将上述步骤a中制备的一维长棒纳米氧化亚铜/铜负载的泡沫镍置于管式炉中，350℃煅烧2h，即得到氧化亚钴纳米电极材料。
c.氧化还原活性电解质的配置：将0.49g铁氰化钾和0.41g过硫酸钾加入配置好的50mL的2mol/L的KOH电解质溶液中。
d.超级电容器组装：工作电极为基于泡沫镍基底生长的氧化亚钴电极，对电极为铂电极，参比电极为汞/氧化汞电极，电解液为c中配置的氧化还原活性电解质。
该实施例制备成的超级电容器，在1A/g的电流密度下其比容量具为1712F/g。在5A/g电流密度下充放电循环10000圈后，其比容量保持在68.3％以上。在电解质中加入活性物质后，其库伦效率约为107％。
本发明制备的氧化亚钴电极材料与汞氧化汞(Hg/HgO)电极、铂电极(Pt)于制得的高活性电解质中组装成三电极体系示意图如图1所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，其特征在于，以泡沫镍为基底，采用水热法在泡沫镍表面上直接生长氧化亚钴作为超级电容器的电极，制成氧化亚钴电极材料；并且在电解质中直接添加铁离子与过硫酸根氧化还原活性物质；然后将该电极与电解液组装成三电极体系。
2.根据权利要求1所述的基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，其特征在于，所述铁离子与过硫酸根氧化还原活性物质分别是铁氰化钾与过硫酸钾氧化还原活性物质。
3.根据权利要求1所述的基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，其特征在于，具体步骤包括：
a.将预处理的泡沫镍与六水合硝酸钴、尿素、氟化铵混合水溶液置于水热釜中，在温度为160℃下反应6-12h；冷却至室温，取出泡沫镍并清洗干净，真空干燥，即得到一维纳米线前驱体Co2(OH)2(CO3)2负载的泡沫镍；
b.将步骤a中制得的一维纳米线前驱体Co2(OH)2(CO3)2负载的泡沫镍置于管式炉中，氮气气氛保护下经350℃煅烧2h，即得到氧化亚钴纳米线阵列电极材料；
c.将步骤b中制得的氧化亚钴纳米线作为工作电极，以铂电极(Pt)为对电极、汞/氧化汞(Hg/HgO)电极为参比电极组成三电极体系，在以K3[Fe(CN)6]/K2S2O8作为高活性添加剂的KOH电解液中测试。
4.根据权利要求3所述的基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，其特征在于，所述步骤a中泡沫镍预处理的具体步骤为：将泡沫镍依次放入稀盐酸、无水乙醇、去离子水中进行超声波清洗，每项超声时间控制在10-30min。
5.根据权利要求4所述的基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，其特征在于，所述稀盐酸的浓度为1-3mol/L。
6.根据权利要求3所述的基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，其特征在于，所述步骤a中，六水合硝酸钴、尿素、氟化铵混合水溶液中的用量分别为2mmol、10mmol、5mmol；溶剂去离子水的体积为70mL。
7.根据权利要求3所述的基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，其特征在于，所述步骤a中，六水合硝酸钴、尿素、氟化铵混合水溶液中三者的摩尔比为2:10:5。
8.根据权利要求3所述的基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，其特征在于，所述步骤b中，煅烧时的升温速率为2℃/min。
9.根据权利要求3所述的基于氧化亚钴电极与高活性电解质体系的构建方法，其特征在于，所述步骤c中，活性物质添加剂K3[Fe(CN)6]/K2S2O8水溶液的浓度为0.01-0.03mol/L，K3[Fe(CN)6]/K2S2O8两种活性物质的摩尔比为1:1；KOH电解液的浓度为2mol/L。
10.一种如权利要求1至9任一所述方法制备的氧化亚钴电极材料及氧化还原电解质的应用，其特征在于，所制得的电解质和电极材料应用于超级电容器。
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