[发明专利]一种钴酸镁多孔微米棒/泡沫镍复合电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料的制备技术领域，具体地说是涉及一种钴酸镁多孔微米棒/泡沫镍复合电极材料的制备方法。

背景技术

超级电容器是一类具有高功率密度、优异的循环稳定性能以及可实现快速充放电的新型电化学储能器件，在混合动力汽车、工业电力、国防军用以及存储系统等众多领域具有巨大的潜在应用价值。但其相对较低的能量密度大大的限制了其应用。如何设计并制备具有优异电化学性质的电极材料是解决超级电容器现有问题的关键所在。金属氧化物由于其相对碳材料较高的比电容以及相对导电聚合物较高的循环稳定性而成为一类非常具有潜力的超级电容器电极材料。

人们对金属氧化物作为超级电容器电极材料做了较多研究，也取得了很大进展。目前的研究主要集中在简单的二元过渡金属氧化物，三元过渡金属氧化物通常包含两种不同的金属离子，由于在多种能源相关领域均具有潜在的应用而受到越来越多的关注。而三元尖晶石结构的钴基金属氧化物更是其中的佼佼者。在三元尖晶石结构的钴基金属氧化物中除了含有氧元素、钴元素外，还含有另外一种金属元素。如钴酸锌、钴酸锰、钴酸镍、钴酸铜、钴酸镁等。其中钴酸镁作为超级电容器电极材料的很有潜力，其理论的比电容值为3122F/g,目前报道的值只有320F/g，还有很大的提升空间（参见：KrishnanSG,ReddyMV,HarilalM,etal.CharacterizationofMgCo₂O₄asanelectrodeforhighperformancesupercapacitors[J].ElectrochimicaActa,2015,161:312-321）。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种工艺简单，制备成本低，目的产物收率高，产品纯度高，具有较好电化学性能的钴酸镁多孔微米棒/泡沫镍复合电极材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明是这样实现的。

一种钴酸镁多孔微米棒/泡沫镍复合电极材料的制备方法，系将洁净的泡沫镍浸入到草酸水溶液中,在室温并且搅拌的条件下，向上述溶液滴加可溶性镁盐和可溶性钴盐的混合水溶液。搅拌反应直到泡沫镍表面上生长出微米结构前驱体，取出泡沫镍，依次清洗、干燥和煅烧后即得目的产物。

作为一种优选方案，本发明所述草酸水溶液的摩尔浓度为0.1～2.0mol/L；所述室温在20～30℃；所述搅拌速度保持在100～150转/分钟；所述滴加溶液的速度为60～180滴/分钟；所述搅拌反应时间为10～30分钟。

作为另一种优选方案，本发明所述可溶性镁盐为硝酸镁或氯化镁的一种或其混合物，其摩尔浓度为0.05～0.5mol/L；所述可溶性钴盐为硝酸钴或氯化钴的一种或其混合物，其摩尔浓度为0.1～1.0mol/L；镁盐和钴盐的摩尔比保持为1:2。镁盐和草酸的摩尔比为1:6～60。

进一步地，本发明所述干燥时间为1～3小时，干燥温度为60～120℃，升温速率为2～10℃/分钟。

更进一步地，本发明所述煅烧时间为2～5小时，煅烧温度为300～450℃，升温速率为2～20℃/分钟。

本发明采用在导电基底表面原位生长金属氧化物电极材料，可有效提高活性物质利用率，增大活性表面，提高材料的扩散传质性能。利用共沉淀-煅烧两步法，成功的制备了钴酸镁多孔微米棒/泡沫镍复合电极材料。由于多孔微米棒结构的存在，使得材料具有较大的比表面积和丰富的空隙，这些结构有利于电解质的浸润和电子的传输。这种钴酸镁多孔微米棒/泡沫镍复合电极表现出优异的电化学性质，是一种非常有潜力的超级电容电极材料。这种优异的性质与钴酸镁多孔微米棒/泡沫镍这一新颖的结构有密切的关系。

与现有技术相比，本发明具有如下特点。

（1）本发明共沉淀-煅烧两步法，制备工艺路线简单，成本低，操作容易控制，具有较高的生产效率，通过对合成条件的有效控制，合成的钴酸镁微米棒具有纳米级的孔道结构，增加了赝电容反应的有效活性位。钴酸镁多孔微米棒牢固生长在高导电性的泡沫镍金属表面，增加了复合材料的导电性。

（2）本发明制备目的产物钴酸镁多孔微米棒/泡沫镍复合电极材料，其纯度高（99.92％～99.99），杂质含量低，分散性好（通过SEM图可以看出）。钴酸镁微米棒的直径在200~500nm之间，长度在2~5μm之间，孔道尺寸在10～20nm之间。