[发明专利]一种高稳定铝掺杂α相NiCo-LDHs电极材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种高稳定铝掺杂α相NiCo‑LDHs电极材料的制备方法及其应用，其α相结构表现出高电化学活性，同时Al³⁺的积极作用保证了材料结构的优异稳定性。实验方法为络合转化法，将镍源、钴源和铝源溶解后加入到氯化铵和氨水的混合溶液中进行络合，随后离心收集络合物，加入到配制好的硫脲溶液中，离心分散后后装入水热釜进行水热反应即得到目标产物。本发明采用络合物为前躯体，两步法合成，解决了常规Al掺杂产物物相不均匀的问题，方法简单、成本低廉，用于超级电容器电极材料可兼具高比容量和优异的循环稳定性。

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种高稳定铝掺杂α相NiCo-LDHs电极材料的制备方法及其应用。

背景技术

目前，能源问题是人类面临的重大问题，超级电容器作为一种新型的绿色储能器件，在新能源技术、电动汽车等领域有着广阔的应用前景。镍钴基超级电容器电极材料，具有高理论比容量，环境友好、成本低廉，被当作最具有潜力应用的赝电容电极材料之一。然而，其高比容量的储能过程需要发生氧化还原反应进行欠电位化学吸脱附，容易在使用过程中发生结构塌陷，因而循环稳定性较差，这也是镍钴基材料目前难以商业化的重要原因之一。

NiCo-LDHs分为α相和β相，α相电化学活性高，但难以稳定存在，使用过程中趋于向β相转化；而β相虽稳定，但电化学活性低，难以为储能器件提供高能量密度。J.Yang等人制备的NiCo-LDHs与GO复合材料，其比容量可达到750C g^-1，但循环稳定性在5000圈后比容量只保持了80％。单纯的镍钴基材料难以在长期循环使用中保持结构稳定，引入第三种金属元素从而构造新的晶体结构框架是一种改善循环稳定性的有效策略。Al³⁺价态高、半径小，有很大的极性，引入镍钴体系(如镍钴双氢氧化物)中可防止结构坍塌，使结构更稳定。例如，Xuaorui Gao等人通过Al掺杂在碳布上原位生长NiCo₂Al-LDH，其三电极循环稳定性可达到12000圈保留97.3％，虽保持了高循环稳定性，但其比容量只有569C g^-1。由此看来，同时具备高比容量和优异的循环稳定性，且制备方法简单易行的电极材料的研究仍然是一项艰巨的挑战。

常规Al掺杂所采用的方法是直接将Al源与Ni、Co源混合溶解后进行均相共沉淀，由于Al(OH)₃的Ksp远小于Ni(OH)₂和Co(OH)₂的Ksp，所以在碱性体系中Al³⁺优先于Ni²⁺和Co²⁺沉淀，使得物相不均匀。因此，可以采用先在常温下生成简单络合物，将其分散均匀后再水热处理的方法来实现物相均匀。此时的Al³⁺虽不能充当活性位点，但其较大极性会扭曲镍钴晶格对称性，从而使更多活性位点暴露，同时在Al³⁺的积极作用下，材料可稳定保持α相，因此在保持高比容量的同时具备优异的循环稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种高稳定铝掺杂α相NiCo-LDHs电极材料的制备方法及其应用。相较于常规NiCoAl三元电极材料直接用均相共沉淀法，存在Al³⁺优先沉淀导致物相不均匀的问题，本发明采用络合物为前躯体，两步法合成稳定存在的铝掺杂α相NiCo-LDHs，可实现物相均匀，在保持高比容量的同时具备优异的循环稳定性。

本发明高稳定铝掺杂α相NiCo-LDHs电极材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将镍源、钴源和铝源按一定比例溶解于去离子水和乙醇的混合溶液中，获得金属离子溶液；同时配制一份氯化铵溶液并加入氨水使其具有pH缓冲作用，即得氨水/氯化铵溶液；常温下将两份溶液充分混合进行络合。

步骤2：将步骤1所得的络合物离心收集，加入到配制好的硫脲溶液中，超声分散后装入水热釜进行水热反应。

步骤3：收集反应所得产物，离心洗涤除去多余杂质并干燥得到目标产物。