CN111943286B - 镍-氢氧化镍复合薄膜电极及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种镍‑氢氧化镍复合薄膜电极及其制备方法和应用，该薄膜电极包括镍颗粒以及原位生长于镍颗粒表面的片状氢氧化镍。本发明的镍‑氢氧化镍复合薄膜电极，其表面为多刺结构，能为电化学反应的发生提供充足的活性位点；本发明的镍‑氢氧化镍复合薄膜电极，片状氢氧化镍和镍颗粒之间的原位结合，有利于电子的快速传输；本发明的镍‑氢氧化镍复合薄膜电极，片状氢氧化镍和镍颗粒之间存在大量孔隙，有利于电解液离子的扩散和传输；本发明制备得到的镍‑氢氧化镍复合薄膜电极，恒流充放电曲线表明，其具有很高的比电容，表明本发明制备的镍‑氢氧化镍复合薄膜电极具有优秀的电化学性能，在电化学等领域具有广阔的应用前景。

Description

镍-氢氧化镍复合薄膜电极及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电化学材料技术领域，尤其涉及一种镍-氢氧化镍复合薄膜电极及其制备方法和应用。
背景技术
超级电容器又名电化学电容器，具有充放电时间短、循环寿命长、功率密度高、绿色环保等一系列的优点。因而，在新能源汽车、电子设备、军事等诸多领域已经得到运用，具有广泛的发展前景。
近年来，随着可移植和可穿戴微电子技术的发展，微型超级电容器与多种功能材料以及器件的集成应运而生。为了在有限的空间内尽可能多的集成微型器件，其对超级电容器的微型化提出了很高的要求。
然而，受制于工艺、市场等等因素的影响，目前市面上超级电容器电极难以满足微型化超级电容器的需求。
同时，现有的薄膜电极因为电极结构等原因，难以为电化学反应的发生提供充足的活性位点和快速的离子传输通道，导致了相对较低的电化学性能，限制了其在微型化超级电容器上的应用。
基于，现有的超级电容器用薄膜电极存在的缺陷，有必要对其改进以满足使用要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种镍-氢氧化镍复合薄膜电极及其制备方法和应用，以解决现有的超级电容器用薄膜电极存在的缺陷。
第一方面，本发明提供了一种镍-氢氧化镍复合薄膜电极，所述薄膜电极包括镍颗粒以及原位生长于镍颗粒表面的片状氢氧化镍。
可选的，所述薄膜电极的厚度为0.5～5μm。
第二方面，本发明还提供了一种镍-氢氧化镍复合薄膜电极的制备方法，包括：
提供一基板；
配置镍盐和曲拉通的混合溶液；
将所述基板置于所述混合溶液中，然后加入还原剂反应完成后，从基板上剥离出薄膜即得薄膜电极。
可选的，所述镍盐为硝酸镍、氯化镍、醋酸镍、硫酸镍中的一种，所述还原剂包括水合肼溶液。
可选的，混合溶液中镍盐的浓度为0.5～100mM，混合溶液中曲拉通的浓度为 0～100mM。
可选的，水合肼溶液的质量分数为50％～99％。
可选的，加入的水合肼溶液与混合溶液的体积比为1:2～100。
可选的，将所述基板置于所述混合溶液中，然后加入还原剂，于50～180℃下反应0.2～24h。
可选的，将所述基板置于所述混合溶液中，然后加入还原剂反应后，将所述基板置于酸溶液中浸泡，然后剥离出薄膜即得薄膜电极。
第三方面，本发明还提供了所述的镍-氢氧化镍复合薄膜电极在电容器、二次电池中的应用。
本发明提供地镍-氢氧化镍复合薄膜电极相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的镍-氢氧化镍复合薄膜电极，其表面为多刺结构，能为电化学反应的发生提供充足的活性位点；
(2)本发明的镍-氢氧化镍复合薄膜电极，片状氢氧化镍和镍颗粒之间的原位结合，有利于电子的快速传输；
(3)本发明的镍-氢氧化镍复合薄膜电极，片状氢氧化镍和镍颗粒之间存在大量孔隙，有利于电解液离子的扩散和传输；
(4)本发明制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极，恒流充放电曲线表明，其具有很高的比电容，表明本发明制备的镍-氢氧化镍复合薄膜电极具有优秀的电化学性能，在电化学等领域具有广阔的应用前景；
(5)本发明的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的制备方法，采用一步法合成，工艺简单可控，成本低廉，且易于实现工业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的制备方法工艺流程图；
图2为本发明实施例1制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的扫描电镜图；
图3为本发明实施例2制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的扫描电镜图；
图4为本发明实施例3制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的扫描电镜图；
图5为本发明对比例1制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的扫描电镜图；
图6为本发明对比例2制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的扫描电镜图；
图7为本发明实施例3制备的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的恒流充放电曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种镍-氢氧化镍复合薄膜电极，其由镍颗粒以及原位生长在镍颗粒表面的片状氢氧化镍构成。
本申请实施例中，薄膜电极的厚度为0.5～5μm，可应用于对电极厚度有较高需求的领域，比如超级电容器中。
基于同一发明构思，本还提供了该镍-氢氧化镍复合薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一基板；
S2、配置镍盐和曲拉通的混合溶液；
S3、将所述基板置于所述混合溶液中，然后加入还原剂反应完成后，从基板上剥离出薄膜即得薄膜电极。
具体的，本申请实施例中基板可采用FTO玻璃、ITO导电玻璃、超白玻璃等，本实施例中基板采用FTO玻璃，使用前将FTO玻璃超声清洗并烘干后，放置于容器中备用，其中，容器材质为聚四氟乙烯或对位聚苯中的一种；本申请实施例采用聚四氟乙烯材质的容器。
本申请实施例中，镍盐采用硝酸镍、氯化镍、醋酸镍、硫酸镍中的一种，具体的本实施例采用硝酸镍，配置20mM硝酸镍和10mM曲拉通的混合溶液 200ml，并置于聚四氟乙烯材质的容器中。
本申请实施例中，还原剂可采用水合肼溶液、硼氢化钠等，具体的，本实施例采用水合肼溶液，具体的，向聚四氟乙烯材质的容器中滴加5ml质量分数为 85％的水合肼溶液，搅拌均匀后封闭容器，加热至95℃后保温，反应时间1h；反应结束后，取出生长薄膜的FTO玻璃，放置于酸溶液中浸泡30min，然后剥离出金色薄膜，清洗并干燥后获得镍-氢氧化镍复合薄膜电极。
本申请实施例中，镍盐、水合肼以及曲拉通的浓度对于所制备的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的粒径和形貌等均有显著影响，但曲拉通浓度对于镍-氢氧化镍复合薄膜电极的影响只在镍盐与水合肼在合适的浓度下才较为明显，即曲拉通所起的作用受镍盐和水合肼浓度影响，具体的，本申请中曲拉通在镍盐与水合肼在合适的浓度下，起到了表面活性剂或表面修饰剂的作用，其可以辅助调节镍颗粒晶核的生长。
本申请实施例中，酸溶液采用稀盐酸、稀硫酸等，稀盐酸溶液的质量分数 0.1％～10％，具体的，本实施例中采用质量分数为1％稀盐酸溶液浸泡30min。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了上述制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极在电容器、二次电池中的应用。
二次电池包括但不限于锂离子二次电池、锂聚合物电池等。
实施例2
一种镍-氢氧化镍复合薄膜电极，其由镍颗粒以及原位生长在镍颗粒表面的片状氢氧化镍构成。
基于同一发明构思，本还提供了该镍-氢氧化镍复合薄膜电极的制备方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1、提供一基板；
S2、配置镍盐和曲拉通的混合溶液；
S3、将所述基板置于所述混合溶液中，然后加入还原剂反应完成后，从基板上剥离出薄膜即得薄膜电极。
具体的，本申请实施例中基板可采用FTO玻璃、ITO导电玻璃、超白玻璃等，本实施例中基板采用FTO玻璃，使用前将FTO玻璃超声清洗并烘干后，放置于容器中备用，其中，容器材质为聚四氟乙烯或对位聚苯中的一种；本申请实施例采用对位聚苯材质的容器。
本申请实施例中，镍盐采用硝酸镍、氯化镍、醋酸镍、硫酸镍中的一种，具体的本实施例采用硫酸镍，配置50mM硫酸镍和50mM曲拉通的混合溶液 200ml，并置于对位聚苯材质的容器中。
本申请实施例中，还原剂可采用水合肼溶液、硼氢化钠等，具体的，本实施例采用水合肼溶液，具体的，向对位聚苯材质的容器中滴加20ml质量分数为85％的水合肼溶液，搅拌均匀后封闭容器，加热至120℃后保温，反应时间0.5h；反应结束后，取出生长薄膜的FTO玻璃，放置于酸溶液中浸泡30min，然后剥离出金色薄膜，清洗并干燥后获得镍-氢氧化镍复合薄膜电极。
本申请实施例中，酸溶液采用稀盐酸、稀硫酸等，具体的，本实施例中采用质量分数为1％稀盐酸溶液浸泡30min。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了上述制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极在电容器、二次电池中的应用。
二次电池包括但不限于锂离子二次电池、锂聚合物电池等。
实施例3
一种镍-氢氧化镍复合薄膜电极，其由镍颗粒以及原位生长在镍颗粒表面的片状氢氧化镍构成。
基于同一发明构思，本还提供了该镍-氢氧化镍复合薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一基板；
S2、配置镍盐和曲拉通的混合溶液；
S3、将所述基板置于所述混合溶液中，然后加入还原剂反应完成后，从基板上剥离出薄膜即得薄膜电极。
具体的，本申请实施例中基板可采用FTO玻璃、ITO导电玻璃、超白玻璃等，本实施例中基板采用FTO玻璃，使用前将FTO玻璃超声清洗并烘干后，放置于容器中备用，其中，容器材质为聚四氟乙烯或对位聚苯中的一种；本申请实施例采用聚四氟乙烯材质的容器。
本申请实施例中，镍盐采用硝酸镍、氯化镍、醋酸镍、硫酸镍中的一种，具体的本实施例采用氯化镍，配置25mM氯化镍和5mM曲拉通的混合溶液200ml，并置于对位聚苯材质的容器中。
本申请实施例中，还原剂可采用水合肼溶液、硼氢化钠等，具体的，本实施例采用水合肼溶液，具体的，向聚四氟乙烯材质的容器中滴加10ml质量分数为 85％的水合肼溶液，搅拌均匀后封闭容器，加热至65℃后保温，反应时间6h；反应结束后，取出生长薄膜的FTO玻璃，放置于酸溶液中浸泡30min，然后剥离出金色薄膜，清洗并干燥后获得镍-氢氧化镍复合薄膜电极。
本申请实施例中，酸溶液采用稀盐酸、稀硫酸等，具体的，本实施例中采用质量分数为0.5％稀盐酸溶液浸泡30min。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了上述制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极在电容器、二次电池中的应用。
二次电池包括但不限于锂离子二次电池、锂聚合物电池等。
对比例1
一种镍-氢氧化镍复合薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一FTO玻璃，将其超声清洗并烘干后，放置于对位聚苯材质的容器中备用；
S2、配置25mM氯化镍和5mM曲拉通的混合溶液200ml，并转移至聚四氟乙烯容器中；
S3、向聚四氟乙烯容器中滴加120ml质量分数为85％的水合肼溶液，搅拌均匀后封闭容器，加热至65℃后保温，反应时间6h；反应结束后，取出生长薄膜的FTO玻璃，放置于盛有质量分数为0.5％稀盐酸溶液的容器中浸泡30min，然后剥离出金色薄膜，清洗并干燥后获得镍-氢氧化镍复合薄膜电极。
对比例2
一种镍-氢氧化镍复合薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一FTO玻璃，将其超声清洗并烘干后，放置于对位聚苯材质的容器中备用；
S2、配置25mM氯化镍和5mM曲拉通的混合溶液200ml，并转移至聚四氟乙烯容器中；
S3、向聚四氟乙烯容器中滴加10ml质量分数为85％的水合肼溶液，搅拌均匀后封闭容器，加热至200℃后保温，反应时间6h；反应结束后，取出生长薄膜的FTO玻璃，放置于盛有质量分数为0.5％稀盐酸溶液的容器中浸泡30min，然后剥离出金色薄膜，清洗并干燥后获得镍-氢氧化镍复合薄膜电极。
分别测试实施例1～3以及对比例1～2制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的扫描电镜图，结果如图2～6所示。
图2显示了实施例1制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的扫描电镜图(其中a为5000倍，b为20000倍)，从图2中可以明显观察到内部的镍凸起结构和表面覆盖的氢氧化镍片状结构。
图3显示了实施例2制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的扫描电镜图(其中a为2000倍，b为20000倍)，从图3中可以看出该实施例制备的镍-氢氧化镍复合薄膜电极表面的氢氧化镍片状结构较实施例1更为丰富，内部镍凸起结构被初步包覆。
图4显示了实施例3制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的扫描电镜图(其中a为3500倍，b为20000倍)，从图4中可以看出该实施例制备的镍-氢氧化镍复合薄膜电极表面的氢氧化镍片状结构更加完整，内部的镍凸起结构已经被完全包覆。
图5显示了对比例1制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的扫描电镜图(其中a为2000倍，b为20000倍)，从图5中可以看出对比例1制备的镍-氢氧化镍复合薄膜电极表面呈现刺状凸起结构，但未观察到明显片状结构，其原因是由于水合肼相对含量过高，导致还原性过强，镍离子全部被还原，没有过剩的镍离子生成氢氧化镍纳米片。
图6显示了对比例2制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的扫描电镜图(其中a为2000倍，b为20000倍)，从图6中可以看出对比例2制备的镍-氢氧化镍复合薄膜电极表面呈现刺状凸起结构，但未观察到明显片状结构，其原因是反应温度过高，导致水合肼还原性极大增强，镍离子均被还原为单质镍，没有过剩的镍离子生成氢氧化镍纳米片。
将上述实施例3制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极用作无粘结剂型工作电极进行电化学性能测试，测试采用三电极测试系统，参比电极为汞/氧化汞 (Hg/HgO)，对电极为铂(Pt)，电解液为6M KOH。如图7为实施例3制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的恒流充放电曲线，1A/g电流密度下比电容为 883.6F/g，20A/g电流密度下比电容仍然高达552.7F/g，表明本发明制备的镍-氢氧化镍复合薄膜电极具有优秀的电化学性能，在电化学等领域具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种镍-氢氧化镍复合薄膜电极的制备方法，其特征在于，包括：
提供一基板；
配置镍盐和曲拉通的混合溶液；
将所述基板置于所述混合溶液中，然后加入还原剂于50~180℃下反应
0.2~24h，反应完成后，从基板上剥离出薄膜即得薄膜电极；
其中，所述还原剂为水合肼溶液，所述水合肼溶液的质量分数为50%~99%，加入的水合肼溶液与混合溶液的体积比为1:2~100；
所述基板包括FTO玻璃、ITO导电玻璃或超白玻璃。
2.如权利要求1所述的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的制备方法，其特征在于，所述镍盐为硝酸镍、氯化镍、醋酸镍、硫酸镍中的一种。
3.如权利要求1所述的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的制备方法，其特征在于，混合溶液中镍盐的浓度为0.5~100mM，混合溶液中曲拉通的浓度为0~100mM。
4.如权利要求1所述的镍-氢氧化镍复合薄膜电极的制备方法，其特征在于，将所述基板置于所述混合溶液中，然后加入还原剂反应后，将所述基板置于酸溶液中浸泡，然后剥离出薄膜即得薄膜电极。
5.一种如权利要求1~4任一所述的制备方法制备得到的镍-氢氧化镍复合薄膜电极在电容器、二次电池中的应用。
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