[發明專利]多級結構硫化鈷鎳?碳量子點復合材料/泡沫鎳超級電容器電極的制備方法

在審

• 申請號: 201710651241.6
• 申請日: 2017-08-02
• 公開（公告）號: CN107316758A
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 高志永;陳利明;武大鵬;徐芳;陳晨;蔣凱
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/24;H01G11/28;H01G11/30;H01G11/44
• 代理公司: 新鄉市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙)41139
• 代理人: 路寬

技術領域

本發明屬于超級電容器電極的制備技術領域，具體涉及一種多級結構硫化鈷鎳-碳量子點復合材料/泡沫鎳超級電容器電極的制備方法。

背景技術

超級電容器是一類重要的電化學儲能器件，主要通過多孔電極/電解液界面電荷聚集（雙電層電容）或活性材料表面的可逆氧化還原反應（贗電容）儲存電荷，具有功率密度高、充放電快速、循環壽命長和工作溫度范圍寬等優點，在高功率輸出的用電設施如便攜電子產品和混合動力汽車等領域應用前景廣闊。電極材料是電荷儲存和傳輸的主體，其導電性、形貌和微結構以及氧化還原活性對超級電容器的比容及能量密度有直接影響。贗電容活性物質能通過表面層及次表面層的可逆氧化還原反應提供較高比容，是一類重要電極材料。通過合理結構設計或形成復合物，提高電極活性材料表面積和電子離子擴散速率，能夠有效提高電極比容、倍率和循環性能。

硫化鈷鎳是一類重要的二元金屬硫化物，兩種金屬元素均能發生氧化還原反應，同時還能經過協同作用提供較高贗電容，因而具有較高理論比容，但是贗電容活性硫化物的較低導電性會限制其倍率性能。通過合理結構設計以及與碳質材料復合，在金屬集流體表面沉積形成多級結構復合材料，能通過提高活性材料的可接觸表面積、與集流體的有效接觸以及構建快速電子離子擴散通道，全方位提高電容器的比容及倍率性能。

發明內容

本發明解決的技術問題是提供了一種多級結構硫化鈷鎳-碳量子點復合材料/泡沫鎳超級電容器電極的制備方法，該方法以泡沫鎳為基底沉積生長超薄片層組裝蜂窩狀多級結構硫化鈷鎳-碳量子點復合贗電容材料，形成的活性電極能在維持較高比容的同時有效提高電極倍率性能，并且該制備方法簡單易行，所制備的活性電極在堿性電解質中，1A/g充放電電流密度下獲得了較高的比容，同時具備顯著的倍率性能，顯示出該活性電極在電化學儲能器件方面的應用潛力。

本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，多級結構硫化鈷鎳-碳量子點復合材料/泡沫鎳超級電容器電極的制備方法，其特征在于具體步驟為：先以檸檬酸、乙二胺和五氧化二磷為原料于100-180℃水熱反應制得碳量子點；再以泡沫鎳、硝酸鈷、硝酸鎳、硫脲和碳量子點為原料，以氟化銨為刻蝕劑，以聚乙烯吡咯烷酮為形貌控制劑，于100-180℃水熱反應制得超薄片層組裝蜂窩狀多級結構硫化鈷鎳-碳量子點復合材料/泡沫鎳超級電容器電極。

進一步優選，所述碳量子點的具體合成過程為：將0.01-1g檸檬酸、0.1-1mL乙二胺和0.1-1g五氧化二磷混合均勻后于100-180℃水熱反應4h得到棕色溶液，再用去離子水透析處理，冷凍干燥得到碳量子點。

進一步優選，所述硝酸鈷和硝酸鎳的總摩爾量與硫脲和氟化銨的投料摩爾比為1.5:0.5-2:0.25-2，硝酸鈷和硝酸鎳的總量與聚乙烯吡咯酮的投料配比為1.5mmol:25-80g，硝酸鈷和硝酸鎳的總量與碳量子點的投料配比為1.5mmol:10-30mg，硝酸鈷與硝酸鎳的投料摩爾比為1:1-2，泡沫鎳基底的尺寸為10mm×10mm×1mm。

進一步優選，所述多級結構硫化鈷鎳-碳量子點復合材料/泡沫鎳超級電容器電極的具體合成過程為：將硝酸鈷、硝酸鎳、硫脲、氟化銨和聚乙烯吡咯烷酮溶于30mL去離子水中，攪拌條件下加入碳量子點形成均勻混合溶液，然后將該混合溶液轉移至水熱反應釜中，將尺寸為10mm×10mm×1mm的泡沫鎳用0.1mol/L的稀硝酸溶液刻蝕處理5min，洗滌干燥后浸沒在水熱反應釜內的混合溶液中，于130℃水熱反應5h制得超薄片層組裝蜂窩狀多級結構硫化鈷鎳-碳量子點復合材料/泡沫鎳超級電容器電極。

本發明所制得的超薄片層組裝蜂窩狀多級結構硫化鈷鎳-碳量子點復合材料具有較高比表面積和較寬孔徑分布，有利于電解質離子向電極表面快速擴散滲透和吸附，同時其片層狀初級結構與泡沫鎳集流體能夠緊密接觸，提供高效電子傳輸通道，有利于電極-電解質界面的快速氧化還原反應，因此制得的活性電極不僅能夠提供較高的比容，而且顯示出良好的倍率性能，適合大電流充放電。此外，該水熱沉積制作硫化鈷鎳-碳量子點/泡沫鎳超級電容器電極的工藝簡單，可望以較大規模制作高性能超級電容器電極。

附圖說明

圖1是本發明實施例4-7制得的活性電極掃描電鏡圖；

圖2是本發明實施例5制得的活性電極在不同電流密度下的充放電曲線；

圖3是本發明實施例6制得的活性電極的倍率曲線。

具體實施方式