[发明专利]一种超级电容器电极材料及其制备方法

说明书

一种超级电容器电极材料，包括：以泡沫镍为衬底，阳极氧化生成的Ni层状双氢氧化物和原位负载的Ni₃S₂纳米颗粒复合而成。其优点是：利用水热+阳极氧化法在泡沫镍基底上制备复合结构，且在水热法过程中，提供钼源，使水热过程中形成Ni掺杂的MoS₂空芯球(此时合成非晶NiMoS颗粒)，球上负载Ni₃S₂颗粒，此时MoS₂空芯球起模板作用，当在后续阳极氧化处理过程中，Mo溶解，Ni充分氧化形成Ni(OH)₂，最终与负载的Ni₃S₂颗粒形成复合结构，并将其作为超级电容器电极材料。本发明制备成本低，可重复性好，结构可控，有利于批量化生产。

技术领域

本发明属于超级电容器领域，具体地说是一种超级电容器电极材料及其制备方法。

背景技术

随着人口的持续增长和社会可持续发展对能源的强烈需求，能源的生产、转换和存储已成为当今全世界关注的焦点。当前社会能源仍然高度依赖于化石燃料，尽管可再生能源(如太阳能、风能、水力发电)的开发和利用有所增加，但这些能源的获取成本依然十分高昂，为了缓冲大规模的能源供给和需求，人们迫切需要开发一种高效的能量存储与转换器件，来满足各类应用需求，例如电动汽车以及手机、笔记本电脑、数码相机等小型移动设备。作为一种快速储能器件，超级电容器不仅兼具传统电容器和二次电池的特性，与传统电容器、锂离子电池相比还具有更高的比能量和比功率，因而是一种非常有潜力的储能方法，对超级电容器电极材料的研究也就非常重要。

近年来，过渡金属硫化物(如NiS、MoS₂、CoS等)因具有独特的物理和化学性质，如高的导电性、热稳定性，以及可快速循环的的氧化还原反应，使得它们作为优异的赝电容活性材料从其他材料中脱颖而出。其中，硫化镍以其价格低廉、环境友好、电子传导率高及容易制备等优点，受到广大研究者的青睐，被广泛应用于能量转换与存储领域。通过构筑不同的结构包括纳米颗粒、一维纳米晶、花瓣层状等，硫化镍显示出优异的电容特性。例如，Pang[1]等人采用微波辅助法合成NiS₂纳米方块和纳米球材料，利用压片法将活性物质包覆在泡沫镍表面，在1.25A/g时比电容为695F/g；Yang[2]等釆用热液法合成的NiS花瓣结构电极材料，同样利用压片法将活性材料负载在泡沫镍表面，在2A/g下的比电容为857F/g。鉴于中空壳层结构具有丰富的氧化还原反应位点、有利的电解质离子扩散路径及较强的结构稳定性，Zhu[3]等利用SiO₂纳米球为硬模板制备出了高性能的NiS中空单壳纳米球，与碳黑、聚偏二氟乙烯混合后利用压片法将材料负载在泡沫镍表面,在4.08A/g的电流密度下比电容达927F/g，循环2000次之后电容保持率仍有74％；Yu[4]等制备的NiS多壳层结构在高电流密度20A/g下的比电容为472F/g，是其在1A/g电流密度下比电容的71％，3000次循环后电容保持率为93％。

与此同时，作为一种常用的电容器电极材料，Ni(OH)₂由于具有导电性高、比表面积大、制备简单等优点也受到了广泛的关注和研究。例如，Peipei Shi[5]等人在碳纤维上直接负载含尺寸约34nm的Ni(OH)₂纳米片墨水，在0.4A/cm³的电流密度下比电容达到36.3F/cm³，在5000次循环后比电容保持率为96％，表现出了较高的比电容以及良好的稳定性。结合NiS纳米颗粒的优异特性，若将尺寸较小的NiS颗粒负载在Ni(OH)₂纳米片上，将不仅有助于提高电极的比表面积和导电性，而且不需引入额外的导电粘合剂就能保持良好的结构稳定性，因而有利于功率密度。然而，目前关于Ni₃S₂与Ni(OH)₂复合的电极材料还鲜有报道。

因此如何制备一种结构独特，以提高电机材料导电性、比表面积大、比容量大，且成本低的材料是目前亟待解决的问题。

发明内容