[發明專利]一種三維層狀金屬氫氧化物納米片/石墨烯氣凝膠復合材料及制備方法

在審

• 申請號: 201410668490.2
• 申請日: 2014-11-20
• 公開（公告）號: CN104392843A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 劉海梅;張愛麗;王聰
• 申請（專利權）人: 上海電力學院
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/86
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根;馬文峰

技術領域

本發明涉及一種三維層狀金屬氫氧化物納米片/石墨烯氣凝膠復合材料及其制備方法，屬于超級電容器電極材料及其制備技術領域，該三維層狀金屬氫氧化物納米片/石墨烯氣凝膠復合材料表現出良好的電化學性能。

超級電容器也被稱為電化學電容器,是一種介于蓄電池和傳統靜電電容器之間的儲能裝置。它具有比能量高、比功率高及循環壽命長等特點,廣泛用于微機的備用電源、太陽能充電器、報警裝置、家用電器、照相機閃光燈和電動汽車等領域,尤其是在電動汽車領域,已引起廣泛重視。

作為一種新型儲能器件，超級電容器因其高能量密度、快速充放電、長循環壽命等特點得到了越來越多的關注．目前超級電容器電極材料的研究主要分為三類，即碳材料(C)、金屬氧化物(MxOy)和導電聚合物(ECP)，這三種材料各有優缺點。近年來的研究發現，將兩種或兩種以上的材料進行復合可以彌補單一電極材料的缺點，同時可以保留各組分的優點，由于各組分間的協同效應可大幅度提高材料的整體電化學性能，其中MxOy/碳復合材料的研究較為廣泛。

水滑石類層狀化合物是一類近年來發展迅速的陰離子型粘土，自然界含量很少，是一類由帶正電荷的水鎂石層結構和層間填充帶負電荷的陰離子所構成的層柱狀化合物，具有廣闊應用范圍。典型的水滑石類化合物是水滑石，其分子式為Mg₆A1₂(OH)₁₆CO₃·4H₂O，其主體層板結構非常類似于水鎂石Mg(OH)₂，結構中心為?Mg²⁺，六個頂點為?OH^-，由相鄰的MgO₆八面體共用棱形成單元層(層板厚度約0.47nm)，層與層間對頂地疊在一起，層間通過氫鍵締合。位于層上的?Mg²⁺可在一定范圍內被半徑相似的Al³⁺同晶取代，使得主體層板帶永久正電荷；中層間具有可交換的陰離子CO₃^2-，它所帶的負電荷與層上正電荷平衡，使得這一結構呈電中性。此外在層間其余空間，存在一些結晶水，這些水分子可以在不破壞層狀結構的條件下去除。

水滑石中的Mg²⁺、A1³⁺被其它M²⁺、M³⁺同晶取代得到結構相似的水滑石類化合物，它具有以下化學組成通式：[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂]^z+[An^-]_z/n·mH₂O，結構與水滑石的結構相同，只是陰離子及陽離子種類數量不同。

隨著研究的不斷深入。水滑石中金屬離子種類范圍不斷擴大，它們之間可以形成二元，三元，四元，五元的LDHs，在應用于鋰離子電池和超級級容器中，可以選鐵鈷鎳錳有化學活性的LDH作為電極材料，提高化學性能。但是由于水滑石低表面積，限制了它在超級容器的應用，所以可以通過和碳材料復合來提高其電化學性能。

碳材料是最早被用來制造超級電容器的電極材料，碳電極電容器主要是利用儲存在電極與電解液界面的雙電層能量，其比表面積是決定電容器容量的重要因素。盡管高比表面的碳材料比表面積越大，容量也越大，但實際利用率并不高，因為多孔碳材料中孔徑一般要2nm及以上的空間才能形成雙電層，從而進行有效的能量儲存。而制備的碳材料往往存在微孔(小于2nm)不足的情況。所以碳材料主要是向著提高有效比表面積和可控微孔孔徑(大于2nm)的方向發展。除此之外，碳材料的表面官能團、導電率、表觀密度等對電容器性能也有影響。