[发明专利]一种超级电容器和电池复合正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电极材料的制备方法。

背景技术

现已知，活性电极材料是决定超级电容器或电池性能的主要因素之一，在各种超级电容器的活性物质中，具有高比表面积的纳米二氧化锰和氢氧化镍（以及将氢氧化镍热处理制备的氧化镍，下同）作为超级电容器正极材料，用于替代活性炭和贵金属氧化物引起人们的广泛重视，具有极大的发展潜力。

二氧化锰、氢氧化镍均是一种半导体材料，其禁带宽，电子导电性差，所以在材料内部复合一定量的纳米碳材料支持其工作是十分必要的，这些纳米碳材料自身具有一定的双电层电容，其更重要的作用是为二氧化锰和氢氧化镍的电化学反应提供电子导电性，能够使二氧化锰和氢氧化镍材料从结构到综合性能均得到显著提高。

二氧化锰/碳、氢氧化镍/碳复合材料的制备技术及其在超级电容器中的应用是当前国内外纳米材料化学领域的热点问题。现有文献报道的研究工作，基本是采用化学法在碳纳米管、石墨烯、活性炭等纳米碳材料的表面沉积一定量的二氧化锰或氢氧化镍。所制备的复合材料存在纳米碳在过渡金属氧化物中分布不均匀，过渡金属氧化物与纳米碳材料的接触不够紧密的问题，而且复合材料中的微孔均匀性和可控性差，导致其性能也有待提高，无法满足人们的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种可使纳米碳材料在过渡金属氧化物中分布均匀、有利于电解液中离子导电和液相传质并能显著提高复合正极材料的电化学性能的超级电容器和电池的复合正极材料的制备方法。本发明主要是采用超重力电沉积的方法制备过渡金属氧化物/碳复合材料。

本发明的技术方案如下：

一、制备装置

本发明的装置主要由贮液槽、旋转桶、电机和循环泵组成，在贮液槽内上部设有一个圆柱形壳体状旋转桶，作为超重力反应器，该旋转桶采用耐腐蚀的金属材料制成，桶内与电解液接触的内壁最好设有控制流体流动方向的导流板，最好在桶内壁镀覆铂等催化镀层，作为电化学反应的电极。最好在旋转桶内另设一个便于清洗的金属内筒，将铂镀层镀覆在该金属内筒的内壁。上述旋转桶的一个端面设有缩径，其与贮液槽外的电动机水平转轴密封连接，以便由电动机带动其旋转；旋转桶另一个端面设中心通孔，该中心通孔内插有一根开口设在旋转桶内的水平进液管，该固定不动的进液管，其另一端伸出贮液槽外与循环泵出液口连接，该循环泵的进液口与贮液槽底部出液管相连。在上述贮液槽内设有加热机构和温度显示机构。另有直流电源或脉冲电源与电流表串联，构成的电源组件。

二、制备方法

（1）将电源组件与旋转桶和进液管连接组成电路，当制备二氧化锰/碳时，旋转桶的内壁与电源正极相连，进液管与电源负极相连；当制备氢氧化镍/碳时则反之，旋转桶的内壁与电源负极相连，进液管与电源正极相连。

（2）上述贮液槽内装有电解液，其可以是二价锰离子的可溶性盐溶液，所述二价锰离子的盐溶液可以是硫酸锰、醋酸锰中的任意一种或两种溶液的混合；该电解液还可以是二价镍离子的可溶性盐溶液，所述二价镍离子的盐溶液可以是硝酸镍、硫酸镍、醋酸镍、氨基磺酸镍中的任意一种或多种溶液的混合。上述电解液的浓度为0.05mol/dm³~4.5mol/dm³。在该电解液中添加0~100g/dm³的纳米碳材料，所述纳米碳材料可以是碳纳米管、石墨烯、活性炭、乙炔黑、纳米石墨粉或碳气凝胶。

（3）开启直流或脉冲电源向旋转桶内壁上输出的电流密度为0.5mA/cm²～500mA/cm²，并且在温度15℃~90℃条件下进行电沉积。电沉积装置产生的超重力场强度以地球表面重力场强度的倍数表示。计算公式如下：超重力场强度=[(2πn/60)²×R/ g]g。其中，n为旋转桶每分钟转速，R为旋转桶内壁半径，单位为米，g为地球表面重力加速度，其数值为9.8米/秒²。调节旋转桶的转速和直径，将超重力场强度控制在1g-1000g（（g=9.8m·s^-2））范围内。

（4）根据电沉积条件的不同，电沉积形成的电沉积产物存在形式也不同：

ａ、悬浮在电解液中，则电沉积过程可连续进行，电沉积产物可通过过滤装置收集、清洗并烘干备用；

ｂ、附着在旋转桶内壁电极上，则在电沉积一定时间（一般为1~5小时）后停机，将制得的电沉积产物刮下、清洗并烘干备用。

（5）将所制得的过渡金属氧化物/碳复合材料掺入5-15wt%的乙炔黑，压片制成超级电容器或电池的正极。