[发明专利]海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料及其制备方法和在超级电容器中的应用

说明书

本发明公开了海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料及其制备方法和在超级电容器中的应用。该海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料包括泡沫镍和负载于泡沫镍上的无定形碳，所述无定形碳为海胆状；其制备方法包括以钴基金属有机骨架作为前驱体，经过水热，前驱体负载在泡沫镍上，并将其进行煅烧，制得海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料。本发明海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料具有结构稳定、比电容高等优点，可直接作为电极材料用于电化学储能，具有能耗低，结构稳定，储能效果好等优点。

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料领域，涉及海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料及其制备方法和在超级电容器中的应用。

背景技术

超级电容器以其优于传统电容器和可充电电池的循环寿命，功率密度，以及充放电速率，为能量储存设备的发展提供了新的方向。根据电荷存储的机理，可以将现有的超级电容器分为两种类型：双电层电容器和赝电容器。双电层电容器主要依靠于电荷在双电层中的累积效应。赝电容器主要依赖于在充放电过程中快速的氧化还原反应。就目前而言，超级电容器的进一步发展主要在于提升其能量密度。各种各样的材料，比如多孔碳，金属有机骨架，聚合物，金属及金属化合物等等，被用于超级电容器的电极材料。其中，来源丰富，价格低廉的碳材料被认为是最有希望将实验室的研究成果成功转化到工业生产的电极材料。碳材料的电化学性能主要取决于其表面形成的双电层和物理化学的相互作用。因此，制备高性能的碳材料，主要关键在于建立特定的结构，包括形态、尺寸、孔径和孔隙率等等。

目前，碳材料的来源主要是自然界中存在的含碳量丰富的前驱体，通过在惰性气氛中进行煅烧，对碳材料进行活化。但是，一些常见的富碳前驱体，比如生物质，聚合物的水凝胶，碳化后存在结构尺寸不可控，难以满足进一步优化的要求。近年来，具有无机-有机杂化多孔结构的金属-有机骨架(MOFs)被开发用于合成具有特定形貌和尺寸的碳材料。在MOFs的碳化过程中，有机基团被热解，金属部分作为结构的导向剂，因为，碳化后的材料可以很好的保持原有的拓扑有序的微观结构。目前常见的MOFs衍生的碳材料有着各种各样的形状，比如硬币，微球，核壳等等。然而目前大多数的MOFs衍生的碳材料，在使用过程中仍然会受限于其自身固有的缺陷，比如：1)MOFs衍生的碳材料石墨结晶度低，导致材料的导电性比较差。为了提升材料的导电性，通常会将其用粘结剂直接涂敷在导电基底上，如玻碳电极等，但是导电基底和氧化钴直接并没有化学键的连接，在电极材料的使用过程中，容易脱落，导致电容器器件的损坏。并且粘结剂的使用还会造成活性材料的浪费，出现较多的死界面，阻碍离子和电子向内电极的转移。2)除了借用其他材料的导电性以外，还通过掺杂金属等方式提升材料的导电性，适量的金属掺杂，不仅可以提升材料导电性，还引入了赝电容，进一步提升材料的电容性。但是，在快速的充放电过程中，金属不断的发生氧化还原反应，不断的发生膨胀收缩，进而出现脱落，严重限制了材料的使用寿命。

因此，如何克服现有MOFs衍生碳材料在使用过程中存在的上述问题，以获得一种结构稳定、比电容高、充放电速率快、制备过程可控、制备工艺简单、制备成本低廉的用于超级电容器的MOFs衍生碳材料基电极材料，对于提高MOFs衍生碳材料基电容器的性能及其在实际成产中的应用具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构稳定、比电容高的海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料，还提供了一种制备过程可控、工艺简单、成本低廉的海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料的制备方法以及该海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料作为电极材料在超级电容器中的应用。本发明的复合材料应用于超级电容器时具有能耗低、比电容高等优点，对于提高电容器的性能和实际应用具有重要意义。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料，包括泡沫镍和负载于泡沫镍上的无定形碳，所述无定形碳为海胆状。