[发明专利]一种以碳纤维为支撑体生长针状网络结构钴酸镍柔性电极的制备方法

说明书

一种以碳纤维为支撑体生长针状网络结构钴酸镍柔性电极的制备方法，将PAN溶液采用静电纺丝法制备碳纤维前驱体，然后预氧化处理，再在低温下碳化处理，得到柔性碳纤维；然后将柔性碳纤维浸在镍盐和钴盐的混合溶液中，以尿素为沉淀剂，进行水热反应，最后煅烧。本发明操作简单，成本低，所制备的碳纤维基底柔性好，纤维之间空间大且含有的含氧官能团使其不需多余的表面处理，针状钴酸镍生长成独特的网络结构且均匀分布在柔性碳纤维骨架结构中，柔性电极材料结合了碳材料良好的循环稳定性和钴酸镍高的能量密度和比电容量，从整体上提高了电极的电化学性能，使用寿命也得到显著提升。

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备技术领域，涉及一种以碳纤维为支撑体生长针状网络结构钴酸镍柔性电极的制备方法。

背景技术

开发清洁无污染的能源是现代发展的必然趋势，超级电容器作为高功率密度的储能器件一直备受关注，其中NiCo₂O₄作为一种双金属氧化物，不仅具有Co₃O₄的高倍率性能，而且还拥有NiO的高比电容性，因此是一种常见的超级电容器材料。但是，钴酸镍作为电极材料时常使用涂覆的方法，这种方法制备的电极在反应过程中，活性材料很容易脱落，影响材料的使用寿命。为了解决此问题，有学者将钴酸镍通过水热法生长在泡沫镍基底上，生成一种自支撑电极。但是，这种电极是刚性的，在弯曲、折叠时，容易造成电极材料和集流体分离，影响电化学性能，甚至导致短路，发生严重的安全问题，而且随着社会的发展，柔性器件也逐渐走进大众生活，因此，研究者开始用碳纤维代替泡沫镍。

活性碳纤维因为气体阻力小、比表面积大、机械强度高、质轻、柔韧性好，是一种良好的集流体而受到人们广泛关注。而且，通过钴酸镍表面沉积或化学修饰等方法制备碳纤维基复合材料碳材料，可解决碳纤维作为电极材料时受双电层储能机理的限制，电容和能量密度欠佳，难以满足实际应用等缺点，从而提高电化学性能。此方法不但能实现电极材料的柔性化，还减少了粘合剂的使用，可从整体上提高电极使用寿命。

申请号为201810510211.8的中国发明专利公开了一种纳米钴酸镍碳布电极极其制备方法，该方法将碳布裁剪和超生处理使碳纤维活化；然后通过水热法依次在碳布上生长钴酸镍，然后以Ag/AgCl作为参比电极进行电镀，然后经过水洗醇洗，热处理后得到柔性电极材料。申请号为201810154690.4的中国发明专利公开了一种纳米片阵列钴酸镍-碳复合材料及其制备方法，该方法对湿巾进行超声处理，然后将其与硝酸镍，硝酸钴，尿素和六次甲基四胺加入到乙醇溶液中，经过水热后，在进行碳化，在碳纤维表面得到了纳米片阵列钴酸镍。Danyun Lei等人使用静电纺丝法制备了碳纳米纤维后，使用水热法在碳纤维表面生长钴酸镍颗粒，得到了碳纤维表面负载NiCo₂O₄颗粒的柔性电极材料[Polymer,2017.]

然而，上述方法中需要进行多次处理才能得到活性碳纤维，处理过程繁琐，成本高且钴酸镍负载在碳纤维表面，反应易脱落；使得复合材料的成本较高难以推广应用。

鉴于以上缺陷，实有必要提供一种操作简单，成本低，结合力好的柔性自支撑工作电极的制备方法。

发明内容

为了克服上述制备方法的缺陷，本发明的目的在于提供一种以碳纤维为支撑体生长针状网络结构钴酸镍柔性电极的制备方法，该方法通过静电纺丝和后续热处理制备了活性高的在柔性碳纤维，以碳纤维为支撑体，使钴酸镍在其表面成核且围绕碳纤维生长成网络结构，所得钴酸镍与碳纤维基底的结合力提高，最后所得的以碳纤维为支撑体生长针状网络结构钴酸镍柔性电极具有优异的电化学性能，其循环稳定性和倍率性能高，电极的使用寿命可以得到有效的提高。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：