[发明专利]一种钴酸锌纳米片列阵/泡沫镍复合电极、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于能源存储技术领域，特别涉及一种钴酸锌纳米片列阵/泡沫镍复合电极、制备方法及其在超级电容器领域中的应用。

背景技术

随着全球气候变暖、化石燃料的日益枯竭以及环境污染等问题的日益突出，人们越来越迫切的需要找到一种有效的、清洁且可持续的能源，以及相应的能量存储与转化技术。作为新一代能源存储与转化装置，超级电容器，又称电化学电容器，因其安全性高、可快速充放电以及循环寿命长等突出优点而越来越受到科学家的广泛关注。

但是超级电容器由于能量密度低极大的限制了其在能源领域的应用。因而如何提高超级电容器的能量密度就成了现在科学家亟待解决的问题。解决超级电容器能量密度低关键在于开发出具有优异电化学性质的电极材料。传统的超级电容器电极的制备方法为：首先将一定量的活性材料、粘合剂和导电剂混合均匀，然后将其涂到集流体（如泡沫镍等）上，随后在一定的压力下上进行压制成型最终得到超级电容器电极。这种方法制作过程非常繁琐，不易控制，而且粘合剂的加入极大地增加了活性材料的内阻，更重要的是由于需要在一定压力下进行压制，导致活性材料的利用率降低。

过渡金属氧化物近年来由于其较传统碳材料具有较高的比电容值而受到人们广泛的关注，如四氧化三钴、二氧化锰以及氧化镍等。但是这些过渡金属氧化物通常存在导电性差、循环稳定性不理想等缺点。而钴酸锌作为一种优异的锂离子电池材料近年来受到了人们的关注，但其在超级电容器领域的应用却很少引起人们的注意。

在专利（CN102664103A）中公开了一种将钴酸锌纳米棒生长在泡沫镍上制成钴酸锌纳米棒/泡沫镍复合电极的方法。但是通过该方法得到的钴酸锌纳米棒并不是有序地生长在泡沫镍的表面，没有形成纳米棒列阵，并且将该复合电极作为超级电容器工作电极时得到的比电容值并不理想，特别是在高电流密度条件下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钴酸锌纳米片列阵/泡沫镍复合电极、制备方法及其在超级电容器领域中的应用。

本发明所述的钴酸锌纳米片列阵/泡沫镍复合电极，是采用水热法直接将钴酸锌纳米片垂直或倾斜地生长在泡沫镍的表面上，形成有序的纳米片列阵，通过煅烧得到钴酸锌纳米片列阵/泡沫镍复合电极。将该方法得到的钴酸锌纳米片列阵/泡沫镍复合电极作为超级电容器工作电极，在大电流密度条件下仍能具有较高的比电容量和循环稳定性。

为达成上述目的，本发明所述的钴酸锌纳米片列阵/泡沫镍复合电极的制备方法，包括以下步骤：

1)将0.25～1mmol硝酸锌、0.5～2mmol硝酸钴、1.3～5mmol氟化铵和2.5～10mmol尿素溶解于去离子水与醇（醇为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或两种以上）组成的混合溶液中，搅拌均匀；

2)将上述溶液倒入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，同时将洗净并干燥好的泡沫镍浸入到该溶液中，反应釜密封后进行水热反应，然后自然冷却，洗涤干燥后得到长有纳米片列阵的泡沫镍；

3)将上述长有纳米片列阵的泡沫镍煅烧，得到钴酸锌纳米片列阵/泡沫镍复合电极。

作为一种改进，去离子水与醇的体积比为4：1～2：3；

作为一种改进，水热反应的温度为100～160℃，反应时间为3.5～8小时；

作为一种改进，煅烧温度为350～500℃，煅烧时间为2～4小时。

本发明的有益效果在于：

（1）针对传统制备超级电容器工作电极的缺陷，本发明不需要加入任何导电剂和粘合剂，通过简单的水热法将钴酸锌纳米片列阵均匀地生长在泡沫镍的表面，并将其直接作为超级电容器的工作电极使用，避免了传统超级电容器电极制备的繁琐过程。

（2）由于钴酸锌纳米片是通过温和的水热法垂直或倾斜地生长在泡沫镍上，所以纳米片能非常牢固地与泡沫镍结合，而且纳米片彼此相互连接形成有序的网状结构，从而提高了活性材料的利用率以及导电性，便于电子传输，且极大的增强了电极材料的稳定性；另外，由于纳米片是有序地均匀分布在泡沫镍表面，因而纳米片列阵能与电解液充分地接触，这极大的增加了钴酸锌活性材料与电解液的接触面积，提高了其利用率，因而能获得优异的电化学性能。