CN110473713A - 增韧的超级电容器电极复合材料及制备方法及不对称全固态超级电容器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增韧的超级电容器电极复合材料及制备方法及不对称全固态超级电容器的制备方法,通过一步水热法,以无水乙醇和去离子水混合溶液为溶剂,加入石墨烯量子点溶液、Ni(NO3)2·6H2O、Co(NO3)2·6H2O以及活性物质,在镍泡沫上成功制备出掺杂石墨烯量子点的具有网络架构的均匀层状NiCo‑LDH电极材料。然在三电极体系中测试其电化学性能,石墨烯量子点的掺杂明显增强了双金属氢氧化物材料的循环稳定性。本发明提供的电极增韧方法工艺简单、环境友好、效率高、易于控制,可解决现有双金属氢氧化物材料作为电极材料应用到超级电容器中循环稳定性差的问题。此外,此电极材料在制成器件时,显示出了高的能量密度和柔性,可作为优良的超级电容器电极材料。

Description

增韧的超级电容器电极复合材料及制备方法及不对称全固态 超级电容器的制备方法
技术领域
本发明属于储能材料领域技术领域,涉及一种增韧的超级电容器电极复合材料及制备方法及不对称全固态超级电容器的制备方法,通过掺杂石墨烯量子点增强超级电 容器电极材料循环稳定性。
背景技术
层状双氢氧化物具有层间距离可调、比电容高、离子传输通道快等特点,被认为是极具发展前景的电极材料。特别是近年来,镍钴层状双氢氧化物具有超高理论电容 (~3000f g-1)、氧化还原活性好、成本低等优点而得到了广泛的研究。但其电导率低, 循环稳定性差,在很大程度上限制了其广泛应用,以往报道的大多数纯钴层状双氢氧 化物比电容(<2000F g-1)远低于理论电容,稳定性差(5000次循环后电容保持率<60%)。 因此,为了提高层状双氢氧化物电极的电容性和循环稳定性,已经采用了大量的策略。 以往报道的层状双氢氧化物性能改进策略可归纳为微观结构设计和混合结构设计。通 过合理的微观结构设计,可以为电化学过程中的体积变化提供更多的空间,提高循环 稳定性。然而,微观结构设计的影响是非常有限的。而混合结构通常会阻碍含有活性 物质的电解质的进入。此外由于层状双氢氧化物与基体之间的集成较弱,也会导致基 体上的镍钴层状双氢氧化物脱落。因此,开发新的策略来修饰层状双氢氧化物等金属 氧化物的电化学性能,对超级电容器的发展具有重要意义。
一维碳纤维或零维颗粒的增强作用在陶瓷基复合材料(CMCs)领域得到了广泛的报道。桥联、脱粘和裂纹偏转是陶瓷基复合材料中避免基体脱落和结构破坏的三种主 要增强机制。现有双金属氢氧化物材料作为电极材料应用到超级电容器中循环稳定性 差的问题。如果能在电化学领域实现上述增韧机理,将显著提高电化学性能和循环稳 定性。然而到目前为止,还没有文献关注电极在电化学领域的增韧设计。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种增韧的超级电容器电极复合材料及制备方法及不对称全固态超级电容器的制备方法,通过掺杂石墨烯量子点增强超级 电容器电极材料循环稳定性的方法,改变现有双金属氢氧化物材料作为电极材料应用 到超级电容器中循环稳定性差的问题。
技术方案
一种增韧的超级电容器电极复合材料,其特征在于:镍泡沫上掺杂石墨烯量子点的具有网络架构的均匀层状NiCo-LDH,化学通式为GQDs/NiCo-LDH。
一种所述增韧的超级电容器电极复合材料的制备方法,其特征在于:采用一步水热法在泡沫镍基底上生长GQDs/NiCo-LDH,步骤如下:
步骤1:按照Ni(NO3)2·6H2O与Co(NO3)2·6H2O摩尔比为1:1~1:3的比例,溶于无水乙醇和去离子水的混合溶液中,超声分散得到均匀的分散液;再加入1~10ml的 石墨烯量子点溶液,搅拌后得到混合溶液;
步骤2:将用盐酸、无水乙醇清洗的泡沫镍基底浸没到混合溶液中,再60~95℃ 条件下,水热浴还原2~8h后,取出泡沫镍基底,用酒精和去离子水冲洗残留物,置于 烘箱中,60~100℃条件下,干燥5~20h,得到掺杂石墨烯量子点的NiCo-LDH电极材 料,记为GQDs/NiCo-LDH。
一种以所述增韧的超级电容器电极复合材料制备不对称全固态超级电容器的方法,其特征在于:将GQDs/NiCo-LDH材料作为正极,与负极分别浸泡在PVA-KOH 凝胶中,压在一起,得到不对称全固态超级电容器,记为GQDs/NiCo-LD//AC;所述 负极为:活性炭与炭黑、聚四氟乙烯按质量比为8~10:1:1混合后溶于酒精中并搅拌均 匀,所得混合物均匀涂覆于泡沫镍上,再置于真空干燥箱中70~100℃保持6~12小 时,得到超级电容器负极极片。
有益效果
本发明提出的一种增韧的超级电容器电极复合材料及制备方法及不对称全固态超 级电容器的制备方法,通过掺杂石墨烯量子点增强超级电容器电极材料循环稳定性,复合材料的化学通式为GQDs/NiCo-LDH。通过一步水热法,以无水乙醇和去离子水 混合溶液为溶剂,加入石墨烯量子点溶液、Ni(NO3)2·6H2O、Co(NO3)2·6H2O以及活 性物质,在镍泡沫上成功制备出掺杂石墨烯量子点的具有网络架构的均匀层状 NiCo-LDH电极材料。然在三电极体系中测试其电化学性能,石墨烯量子点的掺杂明 显增强了双金属氢氧化物材料的循环稳定性。本发明提供的电极增韧方法工艺简单、 环境友好、效率高、易于控制,可解决现有双金属氢氧化物材料作为电极材料应用到 超级电容器中循环稳定性差的问题。此外,此电极材料在制成器件时,显示出了高的 能量密度和柔性,可作为优良的超级电容器电极材料。
与已有技术相比,本发明的有益效果体现在:
1、本方法制备的GQDs/NiCo-LDH电极,在电流密度为1A g-1时,比电容性能 高达2220F g-1,电容性能优异,在电流密度为20A g-1时循环5000次,循环稳定性为 79.2%,而在相同测试条件下,纯NiCo-LDH电极循环稳定仅为57.7%。显著提高了镍 钴双金属氢氧化物材料的循环稳定性。
2、本发明中的GQDs/NiCo-LDH制备是在水热反应釜中一步水热进行,简单方便、不需要昂贵的反应设备,产率高,可大规模生产;反应所得物只需进行简单的冲洗烘 干即可获得高韧性及优异电化学性能的层状纳米电极材料。
附图说明
图1为实施例1所得GQDs/NiCo-LDH网络架构层状材料的扫描电镜图
图2为实施例1所得GQDs/NiCo-LDH网络架构层状材料的高倍透射电镜照片
图3为实施例1所得GQDs/NiCo-LDH网络架构层状材料的Raman光谱图
图4为实施例1所得GQDs/NiCo-LDH电极在特定的电流密度下的恒流充放电图
图5为实施例1所得GQDs/NiCo-LDH电极在20A g-1电流密度下的恒流循环充放5000次的电容保持率图
图6为实施例2所得GQDs/NiCo-LD//AC超级电容器的能量密度比较图
图7为实施例2所得GQDs/NiCo-LD//AC超级电容器在不同弯曲条件下的循环伏 安曲线图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
实施例:提供一种GQDs/NiCo-LDH电极材料的制备方法,制备步骤如下:
将0.4653g六水合硝酸镍、0.9313g六水合硝酸钴和2.2431g六次甲基四胺依次 放入100mL的聚四氟乙烯反应釜内胆,再加入30mL无水乙醇、30mL去离子水和 1~10mL的石墨烯量子点溶液超声搅拌30min,使各原料在溶液里面分散均匀。并将 用盐酸、无水乙醇清洗的泡沫镍基底浸没到混合溶液中。
另一个实施例,在原有工艺参数下,改变Ni(NO3)2·6H2O与Co(NO3)2·6H2O摩 尔比为1:1;
另一个实施例,在原有工艺参数下,改变Ni(NO3)2·6H2O与Co(NO3)2·6H2O摩 尔比为1:3;
将所述装有反应原料的聚四氟乙烯内胆置入不锈钢反应釜外胆中,在温度为80℃的恒温鼓风干燥箱中反应4h。
反应结束后冷却至室温将镍泡沫取出,将镍泡沫用去离子水离子水和无水乙醇各冲洗3次,将得到的湿电极材料置于70℃的真空干燥箱里干燥12h,得到图1所示的 GQDs/NiCo-LDH电极材料。
当添加石墨烯量子点5mL时,所得材料在三电极体系(电解质为2mol/L的KOH) 中进行电化学性能测试,电流密度1A g-1时,其比电容为2220F g-1。当添加石墨烯量 子点8mL时,所得电极在20A g-1电流密度下的恒流循环充放5000次的电容保持率为 79.2%,相比同等测试条件下,未添加石墨烯量子点溶液的电极的电容保持率仅为 57.7%,充分证明了石墨烯量子点的添加提高了镍钴双金属氢氧化物材料的循环稳定 性,本发明的方法有效的增韧了超级电容器的电极材料。
本实施例:提供一种不对称全固态超级电容器,其制备步骤如下:
正极的制备:由所述实施例1所述方法,在10×50mm的镍泡沫上制得实施例1 所述电极材料,记为GQDs/NiCo-LDH;
负极的制备:将活性炭与炭黑、聚四氟乙烯按质量比9:1:1混合溶于酒精中并搅拌均匀,所得混合物均匀涂覆于泡沫镍上,再置于真空干燥箱中70~100℃保持6~12 小时,即获得所需的超级电容器负极极片,记为AC;
另一个实施例,在原有工艺参数下,改变活性炭与炭黑、聚四氟乙烯的质量比为8:1:1;
另一个实施例,在原有工艺参数下,改变活性炭与炭黑、聚四氟乙烯的质量比为10:1:1;
电解液PVA-KOH的制备:将5g聚乙烯醇(PVA)粉加入50ml 1mol/L KOH溶 液中,在85℃下搅拌1h,得到PVA-KOH凝胶电解质。
超级电容器的组装:将正极与负极分别浸泡在PVA-KOH凝胶中,通过叠片的方 式压在一起,得到一个不对称全固态超级电容器,记为GQDs/NiCo-LD//AC。
图7为本实施例2所得的不对称全固态超级电容器GQDs/NiCo-LD//AC的能量密 度比较图,从图中可以看出:在功率密度为802.8W kg-1时,GQDs/NiCo-LDH//AC的 能量密度高达50.84W h kg-1,优于以往报道的其他镍钴氢氧化物电极材料。图7展示 了本实施例2所得的不对称全固态超级电容器GQDs/NiCo-LD//AC的在不同弯曲角度 下的循环伏安曲线图,看出在不同弯曲角度下,该曲线并无明显变化,展现了本实施 例1所得电极材料制成器件时的优越电化学性能和柔性,在储能材料领域拥有广阔的 应用前景。

Claims (3)

1.一种增韧的超级电容器电极复合材料,其特征在于:镍泡沫上掺杂石墨烯量子点的具有网络架构的均匀层状NiCo-LDH,化学通式为GQDs/NiCo-LDH。
2.一种权利要求1所述增韧的超级电容器电极复合材料的制备方法,其特征在于:采用一步水热法在泡沫镍基底上生长GQDs/NiCo-LDH,步骤如下:
步骤1:按照Ni(NO3)2·6H2O与Co(NO3)2·6H2O摩尔比为1:1~1:3的比例,溶于无水乙醇和去离子水的混合溶液中,超声分散得到均匀的分散液;再加入1~10ml的石墨烯量子点溶液,搅拌后得到混合溶液;
步骤2:将用盐酸、无水乙醇清洗的泡沫镍基底浸没到混合溶液中,再60~95℃条件下,水热浴还原2~8h后,取出泡沫镍基底,用酒精和去离子水冲洗残留物,置于烘箱中,60~100℃条件下,干燥5~20h,得到掺杂石墨烯量子点的NiCo-LDH电极材料,记为GQDs/NiCo-LDH。
3.一种以权利要求1所述增韧的超级电容器电极复合材料制备不对称全固态超级电容器的方法,其特征在于:将GQDs/NiCo-LDH材料作为正极,与负极分别浸泡在PVA-KOH凝胶中,压在一起,得到不对称全固态超级电容器,记为GQDs/NiCo-LD//AC;所述负极为:活性炭与炭黑、聚四氟乙烯按质量比为8~10:1:1混合后溶于酒精中并搅拌均匀,所得混合物均匀涂覆于泡沫镍上,再置于真空干燥箱中70~100℃保持6~12小时,得到超级电容器负极极片。
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