CN110444759B - 一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法 - Google Patents

一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于镍锌电池的三维NiMoO4‑石墨烯复合纳米材料的合成方法，本发明通过将一定量的PVP、镍源、钼酸盐加入去离子水中搅拌均匀形成溶液A，将石墨烯分散于去离子水中超声10‑20min形成溶液B。将溶液B倒入A中，超声，将混合溶液和预处理后的泡沫镍置于反应釜中，在100‑200℃的条件下进行反应4‑8h，清洗，烘干，得到三维NiMoO4‑石墨烯复合纳米材料。本发明合成方法简单，容量利用率高、循环稳定性好；其在电流密度为20mA cm‑2时的比面积电容值为2338.8mF cm‑2，相对于现有技术，其比面积电容值至少增加了2.07倍；在循环充放电1000次后，容量保持率为85.4％。

Description

一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成 方法
技术领域
本发明涉及电池材料技术领域，尤其是一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法。
背景技术
随着社会发展，人类对能源需求日益加重，预计2035年人类对能源需求将会是2008年的1.5倍。现代社会能源80％来自于化石能源如煤、石油、天然气，但地球上化石能源的资源是有限的，同时由化石能源所引起的污染也促使人们寻找替代能源。世界各国都致力于新能源的研发与应用，如风能、太阳能、地热能、海洋能等清洁能源以满足人类的需求。但这些能源存在时间性及地域性等缺点。为了高效利用这些能源，因此需要储能装置进行调节。电池作为一种能量转换装置和储能载体得到人们重视。自伏打(Volta)与1799年发明电池至今，化学电池已经经历了200多年的发展。从铅酸电池、镍基电池到现在的锂离子电池，电池的能量密度不断提高。而且在现社会快速发展的需求推动下，化学电源的需求与日俱增，并且对电池性能提出了越来越高的要求，电池技术向着高能量、无污染、可循环使用的方向发展。
化学电源是一种将化学反应产生的化学能转换成电能的装置，该装置可以储存电能并释放电能。在科技十分发达的今天，电子产品不断兴起，人们希望能源的使用能够高效环保、携带便捷、安全可靠，更希望能源能够满足当代可持续发展的理念，化学电源正好能够迎合人们的需求，从而获得了人们的亲昧。目前，使用较为广泛的化学电源有锂离子电池、铅酸电池、燃料电池、镍镉电池和镍氢电池等。上述的化学电源存在一定的缺点，在应用过程中存在难以避免的障碍。比如锂离子电池的安全性较差；铅酸电池不仅笨重，而且体积很大，其比能量密度也比较低，对环境有污染；燃料电池的成本太高，而且目前的技术还不是很成熟；镍镉电池存在记忆效应，污染较为严重，很难满足当代可持续发展的要求；镍氢电池在高温条件下循环性较差，体积能量密度比较低，自放电能力与氢气的压力成正比关系，且研究开发成本太高。目前我们常见的AA(5号)充电电池镍镉电池最不环保，也存在记忆效应，已经处于淘汰边缘。NiMH电池虽然没有记忆效应和剧毒问题，但存在钝化现象(高自放电)，对环境温度要求也较为苛刻，而镍锌电池却没有这个顾虑，无污染，制造成本低，放电能量与最优秀的镍氢电池差别并不大，目前需要解决的问题之一是其稳定性差的问题。
近年来，对电极材料进行复合改性被认为是一种提高电化学材料性能最有效的途径之一。其中，钼酸金属盐对于非金属材料来说，具有很多潜在的应用，然而，钼酸金属盐有着容量利用率低、循环稳定性差等问题，进而使钼酸金属盐得不到进一步的应用，因此，提高其容量利用率，以及循环稳定性能是现在科学家们关注的重点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法，本发明合成流程简单，并且合成材料的循环稳定性高。
本发明的技术方案为：一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法，所述的方法以PVP、镍源、钼酸盐为原料，具体包括以下步骤：
S1)、将一定量的PVP、镍源、钼源加入去离子水中搅拌均匀形成溶液A；
S2)、将一定量石墨烯分散于去离子水中超声10-20min形成溶液B；
S3)、将溶液B倒入溶液A中，超声10-20min后得到前驱体溶液，将前驱体溶液和预处理后的泡沫镍置于反应釜中，在100-200℃的条件下进行反应4-8h，取出，清洗，烘干，得到三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料。
优选的，上述方法中，所述的镍源为六水合硝酸镍、氯化镍、硫酸镍、乙酸镍、的一种或多种的混合。
优选的，上述方法中，所述的镍源的浓度为0.05-0.2mol L-1。
更优选的，上述方法中，所述镍源为硝酸镍。
更优选的，上述方法中，所述镍盐浓度为0.1mol L-1。
优选的，上述方法中，所述钼源为钼酸铵、钼酸钠的一种或两种的混合。
优选的，上述方法中，所述钼盐的浓度为0.05-0.2mol L-1。
更优选的，上述方法中，所述钼源为钼酸钠。
更优选的，上述方法中，所述钼盐浓度为0.1mol L-1。
更优选的，上述方法中，所述水热反应温度为150℃，所述水热反应时间为6h。
优选的，上述方法中，加入的石墨烯与前驱体溶液的比例为1-10mg：20ml。
更优选的，上述方法中，加入的石墨烯与前驱体溶液的比例为5mg：20ml。
本发明的有益效果为：
1、本发明合成方法简单，容量利用率高、循环稳定性好；
2、并且本发明制备的材料石墨烯均匀分散到NiMoO4周围；
3、本发明制备的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料在电流密度为20mA cm-2时的比面积电容值为2338.8mF cm-2，相对于现有技术，其比面积电容值至少增加了2.07倍；
4、本发明制备的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料，在循环充放电1000次后，容量保持率为85.4％，而现有技术的容量只有42％，相对于现有技术，其稳定性能进一步提高；
5、本发明制备的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料导电性相对于现有技术至少提高了 40％。
附图说明
图1为本发明实施例1和2制备材料的扫描电镜(SEM)图，图中，(a)为NiMoO4材料的低倍率扫描电镜(SEM)图，(b)为NiMoO4材料的高倍率扫描电镜(SEM)图，(c)为实施例1中三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的高倍率扫描电镜(SEM)图，(d)为实施例1中三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的X射线能谱仪成分分析(EDS)数据图。
图2为本发明实施例1三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的透射电镜(TEM)图，图中， (a)为实施例1中三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的低倍率透射电镜(TEM)图，(b)为实施例1中三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的高倍率透射电镜(TEM)图；
图3为本发明实施例1和实施例2制备的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料与NiMoO4在电流密度为20mA cm-2下的的恒电流充放电曲线图。
图4为本发明实施例1和实施例2制备的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料与NiMoO4的电化学阻抗谱(EIS)图；
图5本发明实施例1和实施例2制备的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料与NiMoO4的循环寿命对比柱形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例1
一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法，所述的方法以PVP、镍源、钼酸盐为原料，具体包括以下步骤：
S1)、将一定量的0.03mmol PVP、0.1mol L-1六水合硝酸镍、0.1mol L-1钼酸钠加入到 10mL去离子水中搅拌均匀形成溶液A；
S2)、将5mg的石墨烯分散于10ml去离子水中超声15min形成溶液B；
S3)、将溶液B倒入溶液A中，超声10min后，将混合溶液和预处理后的泡沫镍置于反应釜中，在150℃的条件下进行反应6h，取出，清洗，60℃烘干，得到三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料，记为NiMoO4-G。
实施例2
将0.03mmolPVP、0.1mol L-1六水合硝酸镍、0.1mol L-1钼酸钠二水合物溶解于20mL去离子水中，搅拌均匀后，倒入装有预处理泡沫镍的反应釜中，在150℃的条件下，进行反应 6h后，取出，用蒸馏水冲洗，60℃烘干，即得到NiMoO4纳米材料，记为NiMoO4。
实施例3-12
基于实施例1的方案，通过调控水热前驱体的浓度和水热反应温度、时间，以及石墨的量等反应条件，影响NiMoO4与石墨烯的复合，条件如下表1所示。
表1 实施例1～12中NiMoO4与石墨烯复合材料调控条件
Figure BDA0002162591830000041
对比例1
其他条件同实施例1，不同的是石墨烯的量为0、3、8mg，在经过与实施例1条件相同的水热条件下得到的NiMoO4与石墨烯复合材料，说明商品化石墨烯的量会影响其电化学性能。
对比例2
其他条件同实施例1，不同的是反应温度为120、180℃，在经过与实施例1条件相同的水热条件下得到的NiMoO4与石墨烯复合材料，说明反应温度会影响其电化学性能。
对比例3
其他条件同实施例1，不同的是反应时间为4、8h，在经过与实施例1条件相同的水热条件下得到的NiMoO4与石墨烯复合材料，说明反应时间会影响其电化学性能。
对比例4
其他条件同实施例1，不同的是前驱体浓度为0.05、0.2mol L-1，在经过与实施例1条件相同的水热条件下得到的NiMoO4与石墨烯复合材料，说明前驱体浓度会影响其电化学性能。
性能测试
从表1中的结果来看，所述实施例1～10中NiMoO4、NiMoO4-石墨烯复合材料的电化学性能为实施例1最优。
从图1中可以看出，NiMoO4电子显微电镜图如(a)(b)所示，NiMoO4--石墨烯复合材料电子显微电镜图如(c)所示，扫描电子显微电镜图显示合成的NiMoO4和NiMoO4-石墨烯材料均为纳米棒状，同时对NiMoO4-石墨烯复合材料进行X射线能谱(EDS)分析，各元素含量如(d)所示。
从图2中可以看出，石墨烯分散在NiMoO4周围。
从图3中可以看出，在恒电流充放电测试中，通过其曲线计算得出，NiMoO4-石墨烯复合纳米材料样品在电流密度为20mA cm-2时的比面积电容值为2338.8mF cm-2，是相同电流密度下NiMoO4样品比面积电容值(1128.4mF cm-2)的2.07倍。
从图4中可以看出，在电化学阻抗谱(EIS)中，与石墨烯复合后，NiMoO4的导电性明显高于NiMoO4，从而提高它的电化学性能。
从图5中可以看出，在同样的电流密度下，NiMoO4-石墨烯复合纳米材料在循环充放电 1000次后，容量保持率为85.4％，而NiMoO4的容量保持率只有42.0％，在稳定性能上，NiMoO4- 石墨烯复合纳米材料明显优于NiMoO4。
由此可见，NiMoO4与石墨烯复合可以提高其电容性能及稳定性能，操作难度低，容易在工业上实现，因此为目前能源储存问题提供了很好的材料。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法，其特征在于：所述的方法以PVP、镍源、钼酸盐为原料，具体包括以下步骤：
S1)、将一定量的PVP、镍源、钼源加入去离子水中搅拌均匀形成溶液A；
S2)、将一定量石墨烯分散于去离子水中超声10-20min形成溶液B；
S3)、将溶液B倒入溶液A中，超声10-20min后得到前驱体溶液，将前驱体溶液和预处理后的泡沫镍置于反应釜中，在100-200℃的条件下进行反应4-8h，取出，清洗，烘干，得到三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料。
2.根据权利要求1所述的一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法，其特征在于：所述的镍源为六水合硝酸镍、氯化镍、硫酸镍、乙酸镍、的一种或多种的混合。
3.根据权利要求2所述的一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法，其特征在于：所述的镍源的浓度为0.05-0.2mol L-1。
4.根据权利要求2所述的一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法，其特征在于：所述镍源为六水合硝酸镍，所述镍盐浓度为0.1mol L-1。
5.根据权利要求1所述的一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法，其特征在于：所述钼源为钼酸铵、钼酸钠的一种或两种的混合。
6.根据权利要求5所述的一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法，其特征在于：所述钼盐的浓度为0.05-0.2mol L-1。
7.根据权利要求5所述的一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法，其特征在于：所述钼源为钼酸钠；所述钼盐浓度为0.1mol L-1。
8.根据权利要求1所述的一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法，其特征在于：步骤S3)中反应温度为150℃，反应时间为6h。
9.根据权利要求1所述的一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法，其特征在于：加入的石墨烯与前驱体溶液的比例为1-10mg：20ml。
10.根据权利要求9所述的一种用于镍锌电池的三维NiMoO4-石墨烯复合纳米材料的合成方法，其特征在于：加入的石墨烯与前驱体溶液的比例为5mg：20ml。
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