[发明专利]基于三维硅结构/镍钴氢氧化物复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种基于三维硅结构/镍钴氢氧化物复合电极材料及其制备方法：以三维硅结构为基底，在三维硅基底上制备镍、钴氢氧化物生长的生长层，再制备镍、钴氢氧化物活性层。生长层的引入不仅有利于镍钴氢氧化物在硅结构表面的黏附与包裹，还增加了复合电极的比电容。电极的结构有两种：一是将高导电的材料直接覆盖在三维硅结构上作为电极材料的电荷收集层，然后依次制备镍钴氢氧化物的生长层和镍钴氢氧化物的活性层；另一种是将电荷收集层直接覆盖在镍钴活性层表面。本发明制备过程简单，既可制备单金属氢氧化物活性层也可制备双金属氢氧化物活性层，降低了成本，且电极材料结构稳定，可制备出性能优异的硅电极材料，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于材料制备及加工技术领域，更具体地，涉及一种基于三维硅结构/镍钴氢氧化物复合电极材料及其制备方法。

背景技术

近几年，可穿戴和便携式微电子设备的需求快速增长，例如微电子机械系统、自主传感器网络、微型机器人、电子生物医学植入物或射频识别标签等，这促进了高性能片上微电子化学储能单元的开发和设计，并将其集成到微型化设备中。在这种背景下，超级电容器作为一种新型的微功率采集装置，具有高功率密度、长寿命、快速充放电、优良的可逆性和高频响应等独特而有趣的特性，从而得到了广泛应用。

以硅为基底，且采用三维硅结构具有较大的比表面积，有利于搭载更多的电极活性物质，增加电极材料与电解质的接触面积，提高器件的比容量。硅与标准微制造工艺具有高度的兼容性，可集成到微电子电路中，是微电子的基本材料。然而，硅作为微超级电容器电极材料的主要缺陷为硅在水电解质中易快速氧化，且硅表面在盐碱水电解质中易腐蚀。硅表面用高电容性材料的薄膜涂覆后，可以改善硅的化学稳定性。

金属氢氧化物作为超级电容器典型的伪电容性活性材料，具有高氧化还原活性、低成本、环保等特点，而镍钴类氢氧化物因其较高的氧化活性和高可逆充放电能力而成为研究最多的正极材料之一。然而，在电极制作过程中，由于电极的固有导电性和活性物质的聚集性较差，使得电极的循环稳定性难以达到理想的水平。将金属氢氧化物与导电聚合物结合应用，可充分发挥二者的协同作用，既提高稳定性也可提高比电容。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于三维硅结构/镍钴氢氧化物复合电极材料及其制备方法。所述方法制备的电极材料具有比电容高、充放电性能好，环境友好等优点，且工艺简单，操作方便，易规模化，有很好的工业化推广前景。所述电极材料，电极的结构有两种：一是将高导电的材料，如活性碳层、金属或金属氮化物层等，直接覆盖在三维硅结构上作为电极材料的电荷收集层，然后依次制备镍钴氢氧化物的生长层和镍钴氢氧化物的活性层；另一种是将高导的电荷收集层直接覆盖在镍钴活性层表面；具有较高的充放电可逆性和较大的比容量，电化学性能优异，可广泛应用于超级电容器等储能领域。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于三维硅结构/镍钴氢氧化物复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：以三维硅结构为基底，在其表面制备聚苯胺或氧化锌作为镍钴氢氧化物生长的生长层；

步骤二：在生长层上通过电化学沉积法或水热法制备镍钴氢氧化物活性层；

步骤三：制备电荷收集层，在镍钴活性层表面制备电荷收集层。

进一步地，以三维硅结构为基底，在三维硅结构上制备电荷收集层；在电荷收集层表面制备聚苯胺或氧化锌作为镍钴氢氧化物生长的生长层；再在生长层上通过电化学沉积法或水热法制备镍钴氢氧化物活性层。

进一步地，所述聚苯胺生长层是以溶液合成的方式获得：

以苯胺为单体，过氧化苯甲酰为引发剂，配制为酸性介质的聚苯胺预聚合溶液，混合后搅拌30s～30min，将修饰后的三维硅基底或者具有电荷收集层的三维硅基底浸泡在聚苯胺预聚合溶液中，静置5h以上，即得聚苯胺生长层。