[发明专利]一种微碳管上生长氧化镍纳米片的超级电容器电极材料的制备方法

说明书

所属领域

本发明属于一种电容器电极材料的制备方法，具体地说涉及一种微碳管上生长氧化镍纳米片的超级电容器电极材料的制备方法。

技术背景

随着常规能源的日益消耗以及全球气候的变暖，廉价、清洁能源成为科学工作者广泛追逐的对象。其中，超级电容器因具有充放电速率快、功率密度高、循环性能佳(充放电高达5-50万次)等优点，其在电动汽车、混合动力汽车、特殊载重汽车、在太阳能与风力发电、军事领域以及消费性电子产品等众多领域有着重要的应用，被认为是一种最有前途的可反复循环的绿色储能器件。为了满足高比功率和比能量密度的要求，到现在为止，一系列氧化还原性材料(例如金属氧化物/氢氧化物、导电聚合物)被应用于超级电容器电极材料(Adv.Funct.Mater.,2012,22(12):2632-2641；先进功能材料,2012年22卷12期:2632-2641页)。其中，氧化镍因其具有高理论比电容(2583F g^-1)、高的化学/热稳定性、良好的可逆性、环境友好和低成本而倍受青睐(Nanoscale,2013,5(17):7984-7990；纳米,2013年,5卷17期:7984-7990页；)(J.Power Sources,2010,195:3950-3955；电源,2010年,195卷:3950-3955页)。但是，纯氧化镍在使用过程中往往由于其本征电导率低下，而造成倍率性能不佳。此外，在反复充放电过程中，氧化镍本身也会发生粉体团聚和体积剧烈变化，因此其容量衰退较快，循环稳定性不尽如人意。所以，目前采用氧化镍作为超级电容器电极材料仍然受到一定的限制。

为了克服上述问题，人们已经发展一系列提高氧化还原性材料电化学性能的方法和策略。其中一种较为有效的策略是制备纳米尺寸的氧化还原性材料颗粒来缩短电子和锂离子的迁移距离，提高材料反应动力学特性。第二种方法是构筑一种特殊结构的复合材料，即将活性物质均匀分散在碳基体中。这种碳基体不但可以充当柔性缓冲器，还可以作为导电网络，增加氧化还原性材料的电导性。第三类方法是制备多孔微/纳米结构的电极材料。多孔微/纳米结构的空洞或孔隙不仅可以缓解材料体积变化，改善循环性能；还可以提高电极材料的比表面积，增加材料的电化学反应面积。基于此，如果能将纳米尺寸的氧化镍均匀分散在导电碳基体的同时，又能将复合材料本身构筑成多孔微/纳米结构，那么这种特殊的复合材料将结合如上所述的多种优势，预期最大程度地改善氧化镍电极材料电化学性能。

如今，模板法已然成为可控合成新型纳米/微米结构复合材料的先进方法和有效策略。(H.W.Shim,Y.H.Jin,S.D.Seo,ACS Nano,2011,115(1):443-449；H.W.Shim,Y.H.Jin,S.D.Seo,美国化学学会纳米,2011年,115卷1期:443-449)。在这方面，大自然为我们提供了各式各样优秀的生物模板，如冬瓜(Y.Q.Li,Y.A.Samad,K.Liao,ACS Sustainable Chem.Eng.,2014,2:1492-1497；Y.Q.Li,Y.A.Samad,K.Liao,美国化学学会可持续化学与工程,2014年,2卷:1492-1497页)，猪骨(S.C.Wei,H.Zhang,Y.Q.Huang,Energy&Environmental Science,2011,4(3):736-740；S.C.Wei,H.Zhang,Y.Q.Huang,能源与环境科学,2011年,4卷3期:736-740)，蟹壳(H.B.Yao,G.Y.Zheng,Nano Lett.,2013,13:3385-3390；H.B.Yao,G.Y.Zheng,纳米快报,2013年,13卷:3385-3390页)等。这些天然模板都具有高度规整、均一的几何结构，研究者们可以方便地利用这些生物模板制备不同尺度、不同形貌的多级结构复合材料。

采用柳絮碳化得到的微碳管作为模板和碳源，结合水热的方法，制备出氧化镍-微碳管纳米/微米结构复合电极材料，经检索未发现有现有技术。

发明内容

为克服现有技术所存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种工艺简单，制备条件温和，操作简单，能耗低，倍率性能好及循环性能好的微碳管上生长氧化镍纳米片的超级电容器电极材料的制备方法。

由以上分析可知，在微碳管表面生长氧化镍纳米片的纳米/微米复合结构既可以增加氧化镍的电导性，从而增加材料的电化学反应面积，多孔微/纳米结构的空洞或孔隙又可以缓解材料体积变化，最终改善其倍率性能及循环性能。