[发明专利]一种镍钴铁氢氧化物包覆的钴酸镍柔性电极材料及制备与应用

说明书

本发明属于锌‑空电池空气电极材料领域，公开了一种镍钴铁氢氧化物包覆的钴酸镍柔性电极材料及制备与应用。本发明首先在导电衬底上原位溶剂热生长与空气煅烧得到钴酸镍纳米阵列，然后使用镍钴铁三种过渡金属的可溶性盐在钴酸镍纳米阵列表面进一步溶剂热沉积镍钴铁氢氧化物，得到镍钴铁氢氧化物包覆的钴酸镍柔性电极材料。本发明的镍钴铁氢氧化物包覆的钴酸镍柔性电极材料利用三维多孔网络结构促进离子传输与电解质扩散，结合钴酸镍纳米线与镍钴铁氢氧化物壳层增加活性比表面与活性位点数量，使得复合电极材料具有优良的析氧反应和氧还原反应性能，应用于可充锌‑空电池中，实现了高的放电比容量、高能量密度以及突出的循环稳定性。

技术领域

本发明属于锌-空电池空气电极材料领域，特别涉及一种镍钴铁氢氧化物包覆的钴酸镍柔性电极材料及制备与应用。

背景技术

当前日益增长的能源需求导致化石燃料快速消耗，进一步激化了能源与环境问题。中国作为以煤炭为主要能源结构的发展中国家，其环境问题尤为突出。来自能源和环境的双重压力驱使人们不断寻求清洁的可再生能源以及新的能量储存与转化方式。在众多能量储存和转换技术中，电化学能源转化与储存技术(主要包括锂离子电池、金属-空气电池、燃料电池、超级电容器等)已得到广泛认可，是目前最可行且最为有效的能源转化与储存方式之一。最近几年，可充金属-空气电池由于成本低廉、环境友好、安全性高等优势受到广泛关注。其中，可充锌-空电池由于具有突出的比能量密度有望成为下一代富有竞争力的新能源电池，其理论能量密度高达1086Wh kg^-1，因而颇具发展前景和应用潜力。然而，阻碍锌-空电池发展的一大瓶颈是空气阴极一侧电化学动力学过程缓慢，通常产生较大的过电位，包括放电过程中的氧还原反应(ORR)和充电过程中的氧析出反应(OER)产生的过电位。开发高效的双功能氧电催化剂是解决上述问题、实现高性能锌-空电池的关键。目前，氧催化反应常用的催化剂大多是基于贵金属Pt、Ir/Ru及其与碳复合的电催化材料，但由于成本高、稳定性差，其推广应用和发展受到严重阻碍。因此，开发廉价易得且高效稳定的双功能氧催化剂具有重要的现实意义。

过渡金属氧化物因其储量丰富、易于制备、环境友好以及在碱性电解液中具有较高的电化学反应活性而被认为是贵金属催化剂的有效替代材料。过渡金属一般具有多种不同的价态，因此能产生多种具有不同晶体结构的氧化物。通常情况下，过渡金属氧化物的电催化活性取决于过渡金属在不同的价态之间的相互转化率，因此，在ORR和OER之间形成氧化还原电对，对提高过渡金属氧化物的电催化活性至关重要。但是，这些金属氧化物的催化活性和电化学稳定性容易受到材料固有的低电子传导率和颗粒团聚倾向的限制。迄今为止，研究人员探索出了一些有用的策略来改善过渡金属氧化物的催化活性，如将碳基材料与过渡金属氧化物进行有效复合，或是在金属氧化物中掺杂适当的杂原子，亦或是进行表面修饰改性等。尽管过渡金属氧化物的电催化活性得到了一定程度的提高，但能同时实现优良的ORR和OER催化活性的金属氧化物双功能催化剂依然非常稀缺。

与此同时，空气电极的制备方式也显著影响锌-空电池的容量和性能。传统的电极制备需要加入惰性的聚合物粘结剂和导电添加剂，这些辅助添加剂不可避免地增加电极的重量，增大界面阻力并稀释活性物质的比含量。对此，直接在导电衬底上原位生长/沉积电催化剂更具有优势，它能进一步提高锌-空电池的功率/能量密度和耐久性，还能显著提高空气电极及其电池的柔性抗弯折性能。因此，在导电集流体表面制备高效的双功能氧电催化实现柔性一体化的空气电极，并将其应用于可充锌-空电池中具有重要的实用价值与应用前景。目前，制备高性能的柔性空气电极依然是一大挑战。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种镍钴铁氢氧化物包覆的钴酸镍柔性电极材料的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的镍钴铁氢氧化物包覆的钴酸镍柔性电极材料。

本发明再一目的在于提供上述镍钴铁氢氧化物包覆的钴酸镍柔性电极材料在锌-空电池中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：