[发明专利]一种薄片状钙掺杂氢氧化镍电极材料及其制法和在制备超级电容器中的应用

说明书

技术领域：

本发明属于功能化无机纳米材料的合成及电化学储能应用领域，涉及一种利用离子交换的方法合成具有薄片状形貌的钙掺杂功能化的氢氧化镍材料及其在电化学超级电容器制备中的应用。

背景技术：

超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能装置，其作为一种新型的储能器件具有能量密度高，功率密度高，使用寿命长，使用温度范围宽，充电速度快的特点。自1957年来，关于超级电容器的第一篇专利的发表，掀起了世界范围内对超级电容器的研究热潮，从此超级电容器逐步走出实验室，进入广阔的运用领域。

氢氧化镍是常用的电极材料之一，因其具有高的理论容量，良好的法拉第反应性能，易于合成，来源丰富，环境友好的综合特性，其作为电极材料用于超级电容器储能具有良好的应用前景。然而，氢氧化镍作为电极材料用于超级电容器储能仍然存在着循环寿命差的问题，这极大的限制了其实际的应用价值。造成差的循环寿命的主要原因是其微观的结构和形貌在反复的充放电过程中被破坏从而导致了电活性比表面积的下降，因此其循环寿命会发生衰减。迄今为止，提高氢氧化镍的循环寿命的方法主要是通过在其骨架中掺杂异质离子，用以稳定其微观结构和形貌。金政等人的专利(申请号：201210001083.7)报道了一种钴、锌掺杂氢氧化镍复合电极材料的制备方法及其优异的电化学性能，但是其所利用的电沉积的制备方法无法实现大规模的制备。Lang等人利用化学沉淀的方法制备了一种铝掺杂的氢氧化镍，如文献J.Solid State Electrochem.,2010(14),1533-1539所述，但是其所得到的掺杂功能化的氢氧化镍的循环寿命在经历1000个循环后仅能保持82％。Huang等人利用水热的方法制备了铝掺杂的氢氧化镍，如文献J.Power Sources,2013(232),370-375所述，其所得到的掺杂功能化的氢氧化镍的循环寿命在经历500个循环后仅能保持53.5％。You等人利用电化学沉积的方法合成出了锌掺杂的氢氧化镍，如文献Appl.Surf.Sci.2012(258),8117–8123所述，其所得到的氢氧化镍的容量很低仅有860F/g。以上的分析显示，目前报道的掺杂功能化的氢氧化镍的电容性能尤其是循环寿命还比较差，距离实际的应用还相差较远。另外，目前报道的合成氢氧化镍的方法存在着低效率，成本高，不环保的缺陷，其中大部分报道的合成方法都依赖于额外的热源和碱源，如李红芳的专利(申请号：200810071347.X)报道了利用微波作为热源，利用尿素作为碱源的方法合成氢氧化镍，何雨石的专利(申请号：200510027345.7)报道了利用水热为热源，利用尿素为碱源的方法合成氢氧化镍。结合以上分析，用一种简单有效且不依赖于额外的热源和碱源的方法得到具有高循环寿命的掺杂氢氧化镍材料仍然存在挑战。

发明内容：

本发明提供了一种薄片状钙掺杂功能化氢氧化镍电极材料及其制备方法和其在制备超级电容器中的应用。这种掺杂功能化的氢氧化镍电极材料可在6.0M KOH电解质中，实现高的电容存储容量(高达1931F/g)和优异的循环寿命，在高电流密度下，经过10000次的连续充放电后其容量可以保持在95％。

本发明可以通过如下技术方案实现：

一种薄片状钙掺杂功能化氢氧化镍电极材料的制备方法，它包括下列步骤：

步骤1、将氢氧化钙粉体通过搅拌分散在水里，形成氢氧化钙的浆料，最终得到的浆料的浓度为10-20g/L；

步骤2、称取可溶性镍盐作为前体，并将其溶解于水中得到镍的前体溶液，所制备的前体溶液中镍离子的浓度为0.2-0.5mol/L；

步骤3、将50mL步骤2中制备的前体溶液转移到50mL步骤1制备的浆料中，继续搅拌,进行离子交换反应；

步骤4、将步骤3得到的混合体系进行过滤，洗涤和烘干得到薄片状钙掺杂功能化氢氧化镍材料。

上述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化镍电极材料的制备方法，步骤1所述的氢氧化钙的纯度为分析纯，搅拌时间为24-48h。

上述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化镍电极材料的制备方法，步骤2所述的可溶性镍盐为硝酸镍、氯化镍或乙酸镍。

上述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化镍电极材料的制备方法，步骤3所述的离子交换反应时间为24-72h。

一种上述薄片状钙掺杂功能化氢氧化镍电极材料的制备方法制得的薄片状钙掺杂功能化氢氧化镍电极材料。

上述的薄片状钙掺杂功能化氢氧化镍电极材料在制备超级电容器中的应用。