[发明专利]一种纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学能源技术领域和纳米材料学领域，具体涉及一种具有大电流放电功能的纳米氧化镍/还原氧化石墨烯复合超级电容器及其电极材料的制备方法。

背景技术

超级电容器作为一种新型的储能元件，具有较高的能量密度和功率密度、超长循环寿命以及能在低压下操作等优点，在大功率脉冲电源、电动车驱动电源等领域有广泛用途。按照其储能机理划分，通常把超级电容器划分为双电层超级电容器和赝电容超级电容器。

双电层超级电容器是基于正、负离子在碳电极和电解液界面之间的表面上分别吸附，造成两个电极之间的电势差实现储能。常用的电极材料主要为多孔碳材料(活性碳，碳黑，碳气凝胶，介孔碳以及碳纳米管等)，具有比表面积高、物理化学性质稳定等优点，但其比容量较低且能量密度小。而赝电容超级电容器主要是通过在电极表面及体相中发生快速且可逆的氧化-还原反应实现储能；常用的电极材料主要为过渡金属氧化物(RuO₂，NiO，Co₃O₄和MnO₂等)，具有比容量大、能量密度高和快速充放电的优点，但性能不稳定且成本较高。因此，利用多孔碳与金属氧化物两者的优点发展一种高性能复合电极材料十分必要。

2004年石墨烯的成功制备，为超级电容器的开发提供了新的机遇。石墨烯作为单原子厚度的二维碳材料，理论比表面积高；具有优异的导热性能和力学性能；此外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性。因此石墨烯材料、特别是石墨烯复合材料在超级电容器领域的应用受到广泛关注。近来Meryl D.Stoller课题组报道了用化学修饰的石墨烯作为超级电容器的电极材料(Nano Lett 2008；8(10)：3498-502)，在具有高电导率，并在宽的电压扫描速率下仍具有很好的性能，但比电容较低。

众所周知，无定型水合氧化钌是高功率高能量密度超级电容器最有希望的电极材料，但价格昂贵资源匮乏，所用电解质污染环境，大大限制了它的商业开发。而NiO等氧化物电极材料有着与RuO₂·xH₂O相似的功能，且价格便宜，但是NiO作为超级电容器材料具有两个非常致命的缺点：一个是导电性比较差，一个是NiO纳米材料容易团聚。近年来，Cheng等(J Power Sources2008；185(2)：1563-68.)用模板法合成的梯度多孔NiO作为超级电容器的电极材料与市场购买的NiO相比，不管其电容量、功率密度还是能量密度都要好的多，但在较高的电压下其稳定性较差。

目前的研究热点之一是对氧化镍和石墨烯复合材料的研究，复合材料能发挥出各自的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。专利CN101733985A公开了一种石墨烯/氧化镍层状结构复合薄膜及其制备方法，采用超声法使石墨烯与氧化镍混合，然后高温热处理得到石墨烯/氧化镍层状结构复合膜，该方法制备出得复合膜具有良好的导电性和机械强度，但是需高温烧结处理得到，并且反应时间过长；专利CN102184781A报道了一种纳米氧化镍/石墨烯复合材料及其制备方法，主要采用化学溶液法制备氧化镍/石墨烯的前驱体材料，然后高温烧结，得到氧化镍/石墨烯复合材料，该方法虽然在一定程度上提高了复合材料的比电容量，但是也是在高温烧结下进行，成本相对较高。

发明内容

本发明的目的是为了克服NiO和石墨烯作为超级电容材料存在的缺点，前期采用在低温下，制备石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和多孔纳米氧化镍材料的基础上提供了一种新的纳米氧化镍/还原氧化石墨烯复合电极材料及其简便制备方法，这种纳米氧化镍/还原氧化石墨烯复合材料具有良好的电学和力学性能，可用来制备工作电极，应用于在超级电容器电极材料领域。

本发明采用的技术方案是：

一种纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料，所述的复合电极材料由下列物质组成：孔径为2～65nm范围平均粒径为750nm的纳米氧化镍和厚度为1～20nm厚的还原氧化石墨烯；氧化镍是优秀的赝电容材料，具有很高的比容量，但功率密度较低，可是还原氧化石墨烯是非常好的双电层碳基材料，并具有大功率放电特性，所以通过调控上述二者的不同比例来获得最优性能，所述纳米氧化镍与还原氧化石墨烯的质量比为1∶0.01～100，优选为1.5∶1；所述的纳米氧化镍/还原氧化石墨烯按照如下步骤制备：

a、取氧化石墨烯加水稀释到浓度0.02～2mg/mL充分混均得氧化石墨烯溶液；