[发明专利]一种高性能SiC@NiCo2O4/Ni(OH)2复合超级电容器正极材料

说明书

技术领域

本发明涉及新能源存储领域，具体涉及一种高性能SiC@NiCo₂O₄/(NiOH)₂复合超级电容器正极材料。

技术背景

超级电容器是近年来发展起来的一种新型储能器件，具有功率密度高、充电速度快、循环使用寿命长、工作温度范围广、安全性能好及环保等优点，在新能源汽车、微型通讯设备、重型机械、航空航天等领域具有广阔的应用前景(中国发明专利，申请号201310326357.4)。然而，与充电电池相比，超级电容器的能量密度较低，这严重地制约了其工业化生产进程(Gao Z,et al.Flexible All-Solid-State Hierarchical NiCo₂O₄/Porous Graphene Paper Asymmetric Supercapacitors with an Exceptional Combination of Electrochemical Properties.Nano Energy 2015,13,306-317)。众所周知，超级电容器的性能完全依赖于其电极材料，因此，设计并构筑一种新型的且具有优异电化学性能的电极材料对提高超级电容器的能量密度具有十分重要的意义。

近年来，传统碳材料(如活性炭)常被用作超级电容器负极材料，由于其理论比电容较低，严重制约超级电容器的商业化进程，因此，研究人员往往通过设计新型正极材料来提高超级电容器的能量密度和功率密度。RuO₂是最早作为正极材料应用到电化学电容器中，但其价格昂贵，不利于推广及应用，近年来，研究人员试图用MnO₂、Ni₃S₂、NiCo₂O₄、V₂O₅、TiO₂、 Co₂O₃及Ni(OH)₂等过渡金属化合物代替RuO₂以降低正极材料成本，其中NiCo₂O₄和Ni(OH)₂最受研究人员关注，这主要是由于Ni-Co(氢)氧化物具有较高的理论比电容，优异的氧化还原特性和电化学活性，并且原料丰富、环境友好及价格低廉等优势(中国发明专利，申请号 201310058911.5；中国发明专利，申请号201611200095.7)。然而，NiCo₂O₄和Ni(OH)₂都存在导电性能及循环稳定性差的缺点(Dong et al.Formation ofg-C₃N₄@Ni(OH)₂Honeycomb Nanostructure and Asymmetric Supercapacitor with High Energy and Power Density,ACS Appl. Mater.Interfaces 2017,9,17890-17896)，并且容易在基板上发生团聚，这将使活性材料的比表面减小，从而导致实际获得的比电容远低于其理论值(中国发明专利，申请号 201210284645.3)。为了克服上述问题，研究人员往往利用导电性较好及比表面积较大的碳材料或无机半导体作为骨架与NiCo₂O₄或Ni(OH)₂进行复合，有效地改善了活性材料团聚及比电容低的缺陷(Liu,et al.A three dimensional vertically aligned multiwall carbon nanotube/NiCo₂O₄core/shell structure for novel high-performance supercapacitors.J.Mater.Chem. A,2014,2,5100-5107.Lo et al.Synthesis of Ni(OH)₂nanoflakes on ZnO nanowires by pulse electrodeposition for high-performance supercapacitors,Journal of Power Sources,2016,308, 29-36)。尽管上述制备出的复合电极材料具有较好的电化学性能，但仍不能满足新型超级电容器在充放电过程中对高比电容及倍率特性的需求，因此，开发一种理想的骨架材料势在必行。众所周知，SiC纳米线不仅具有良好的机械性能与物理化学稳定性、大的长径比及比表面积、优异的导电性与抗腐蚀抗氧化特性，并且它们互相缠结，可以构成一种特殊的网络结构。因此，SiC纳米线构成的网络结构不仅使活性材料均匀分散，并且在充放电过程中为电子传导提供了多种传输渠道，还可解决活性材料因体积膨胀/缩小而造成的电极结构的坍塌，这使它们成为极具竞争力的超级电容器复合电极的骨架材料；此外，SiC纳米线电极材料还可呈现出高的面积比电容、长期循环稳定性及优异的抗电化学腐蚀特性和优异的柔韧性(Gu, et al.Performance characteristics of supercapacitor electrodes made of silicon carbide nanowires grown on carbon fabric.Journal ofPower Sources 2013,243,648-653.Alper,et al.Silicon carbide nanowires as highly robust electrodes for microsupercapacitors.Journal of Power Sources 2013, 230,298-302)。因此，当SiC纳米线作为骨架与纳米NiCo₂O₄和Ni(OH)₂进行复合时，可大幅提升此复合正极材料的电容特性。目前尚没有关于NiCo₂O₄/(NiOH)₂纳米片阵列包覆SiC纳米线复合超级电容器正极材料的报道。