[发明专利]一种多级纳微米结构材料、其制备方法和包含该材料的电池

说明书

技术领域

本发明属于无机先进纳米材料技术领域。

背景技术

碱性电池被认为是环境友好型且能多次循环使用的高效电池，镍铁电池是其中的重要分支。镍铁电池的正极活性物质主要为羟基氧化镍，负极活性物质主要为铁，是一种轻便，寿命长且易保养的碱性蓄电池[J.Power.Sources.,1984,12,177-192]。相比于目前广泛使用的镍镉电池，铅酸电池，这种电池的循环寿命可达到2000次以上，使用年限为20年以上，因此受到社会的广泛关注和大力发展。但一般制作镍铁电池的电极材料存在明显的缺陷，如有的需要相对较高的合成温度，有的粉体材料结晶度差，不与集流体接触，电子传输效果差，有的对环境具有明显危害。

为了解决上述问题，提出本发明。

发明概述

第一方面，本发明涉及一种表面具有多级纳微米结构的材料，其包括：

多孔导电基底；

在所述多孔导电基底上垂直于该基底生长的初级微米棒或初级微米片阵列；

在每一所述初级微米棒上成放射状生长的多个四氧化三铁次级纳米棒，或在每一所述初级微米片上垂直于该微米片生长的多个四氧化三铁次级纳米棒。

第二方面，本发明涉及一种表面具有多级纳微米结构的材料的制备方法，其包括以下步骤：

a.将多孔导电基底斜置放入第一反应釜中，再向该反应釜中加入包含可溶性钴盐、氟化铵和尿素的第一水溶液，然后密闭该反应釜，升温并在自生压力下进行第一次水热反应，以在该多孔导电基底表面上垂直该基底生长氢氧化钴初级微米棒或初级微米片阵列；

b.取出该多孔导电基底，洗涤并干燥；

c.将步骤b处理后的多孔导电基底斜置放入第二反应釜中，再向该反应釜中加入包含可溶性铁盐或亚铁盐、氟化铵和尿素的第二水溶液，密封该反应釜，升温并在自生压力下进行第二次水热反应，以在每一所述氢氧化钴初级微米棒上成放射状生长多个氢氧化铁次级纳米棒，或在每一所述氢氧化钴初级微米片上垂直于该微米片生长的多个氢氧化铁次级纳米棒；

d.再次取出该多孔导电基底，洗涤并干燥；

e.在惰性气体保护下煅烧该多孔导电基底，使得氢氧化钴初级微米棒或初级微米片转变为四氧化三钴初级微米棒或初级微米片，且使得氢氧化铁次级纳米棒转变为四氧化三铁次级纳米棒。

第三方面，本发明涉及一种其负极包含本发明的第一方面所提到的材料的电池。

第四方面，本发明涉及本发明的第一方面所提到的材料作为电池负极材料的用途。

附图说明

图1是本发明的电池的结构示意图，其中也分别示出了本发明的第一方面所述的表面具有多级纳微米结构的材料的结构示意图，见其负极材料的放大图，其中初级微米结构为微米棒。

图2是本发明的材料的扫描电镜照片图（SEM），其中清楚地显示出，四氧化三钴初级微米棒阵列垂直于基底表面生长，且每一四氧化三钴初级微米棒上成放射状生长四氧化三铁次级纳米棒

图3是本发明的材料的X射线衍射图（XRD），与标准谱图对比可辨别出本发明的材料上的初级微米棒成分为四氧化三钴晶体，次级纳米棒成分为四氧化三铁晶体

图4是本发明的材料的循环伏安曲线图。

图5是本发明的材料的循环稳定性图。

图6是另一种形态的本发明的材料的扫描电镜照片图（SEM），其中清楚地显示出，四氧化三钴初级微米片阵列垂直于基底表面生长，且每一四氧化三钴初级微米片上垂直于该微米片表面生长着多个四氧化三铁次级纳米棒。

图7是图6所示材料的X射线衍射图（XRD），与标准谱图对比可辨别出本发明的材料上的初级微米片成分为四氧化三钴晶体，次级纳米棒成分为四氧化三铁晶体

图8是本发明的图6所示材料的循环伏安曲线图。

图9是本发明的图6所示材料的循环稳定性图。

图10是与作为电池负极的本发明的材料配对使用的正极材料的SEM图，该图显示，四氧化三钴初级微米棒阵列垂直于基底表面生长，且每一四氧化三钴初级微米棒上成放射状生长氧化镍次级纳米棒。

图11是与作为电池负极的本发明的材料配对使用的正极材料的XRD图，与标准谱图对比可辨别出该正极材料上的初级微米棒成分为四氧化三钴晶体，次级纳米棒成分为氧化镍晶体。

图12是与作为电池负极的本发明的材料配对使用的正极材料的循环伏安曲线图。

图13是与作为电池负极的本发明的材料配对使用的正极材料的循环稳定性图。