[發明專利]一種鐵酸鎳微球超級電容器電極材料的制備方法

有效

• 申請號: 201910306874.2
• 申請日: 2019-04-17
• 公開（公告）號: CN110040789B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 張磊;李超;殷少坤;王威;唐寧;米南陽;賈焜;閆寧
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01G11/46
• 分類號: H01G11/46;H01G11/24;H01G11/86;C01G53/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

本發明涉及一種鐵酸鎳微球超級電容器電極材料的制備方法；稱量鎳鹽和鐵鹽加入到去離子水中，使其溶解；將尿素和氟化銨混合加入到溶劑中，保持鎳鹽、鐵鹽、尿素、氟化銨四者摩爾比為1：2：18～36：9～24，持續攪拌使其形成澄清溶液，隨后轉移至反應釜中，放置于烘箱中恒溫反應；水熱過程結束后自然冷卻至室溫得到反應產物；經過抽濾、沉淀、洗滌后干燥最終得直徑為2～3μm的中空NiFe₂O₄微球。用搟片法將NiFe₂O₄微球材料制作成電極，在1A/g電流密度下具有204.3F/g的質量比電容。此方法簡單易行，綠色環保，不需要后續熱處理獲得不含雜質的NiFe₂O₄電極材料，減少耗能過程，并易于工業化生產。

技術領域

本發明涉及納米材料制備技術和電化學技術領域，特別是超級電容器電極材料制備方面，具體的說是涉及雙金屬氧化物鐵酸鎳(NiFe₂O₄)的制備方法及其在超級電容器等儲能器件方面的應用。

背景技術

隨著全球工業技術的極速發展，能源枯竭和環境污染成為人類面臨的首要問題，開發氫能、風能、太陽能等可代替傳統化石能源的清潔能源尤為重要。新型能源體系的建立離不開能源和存儲技術。超級電容器是一種介于傳統物理電容器和電池之間的新型儲能器件，具有比功率高、充放電速度快、使用壽命長、低溫性能優異、安全系數大等優勢，可以廣泛使用于電動力汽車、便攜型電子設備、國防和航空航天領域。

超級電容器性能的提升主要依靠新型電極材料的開發。超級電容器按儲能機制的差異可以分為雙電層電容和贗電容。雙電層電容電極材料以具有高比表面積的碳材料為主，其循環穩定性高，可大電流快速充放電，但比電容值不高。RuO₂是較早研究的贗電容材料，具有較高的理論比電容，較碳材料有更寬的工作電壓窗口，但是RuO₂屬于貴金屬氧化物，成本高，難以工業化投產。

過渡金屬氧化物、硫化物和氫氧化物由于電化學活性高、微觀結構可控、化學性質穩定，有望成為新一代贗電容材料。其中，Ni、Fe基過渡金屬氧化物元素儲量豐富、價格低、易于合成相比于Co基材料毒性低、環境友好，逐漸受到研究人員的關注。目前，固相燒結法、化學浴沉積法是常見的制備商品化NiFe₂O₄的方法，制備的NiFe₂O₄不僅使用1000℃以上的高耗能熱處理步驟，而且微觀結構不均一，顆粒尺寸較大，在充放電循環中容易發生結構崩塌造成性能下降。

調控電極材料的微觀結構可以改變離子傳輸通道；縮小顆粒尺寸使之納米化可以有效增加比表面積，豐富活性位點。在現有技術中，利用水熱法可以合成具有可控形貌的微納材料，然而在制備過程中通常需要引入模板劑或采用多次水熱等繁瑣方式。設計具有中空、核殼、表面粗糙等特殊結構的材料又往往依賴于后續高溫熱處理，導致合成成本明顯增加。因此，研發操作簡單、環境友好、能源消耗低、便于投產的電極材料制備方案具有重要意義。

發明內容

本發明通過一步水熱法合成一種具有多孔結構的NiFe₂O₄微球電極材料，并將這種材料制備成超級電容器電極。此制備方法簡單易行，綠色環保，不需要后續熱處理即可獲得不含雜質的NiFe₂O₄微球，減少耗能過程，易于工業化生產。合成出的NiFe₂O₄微球用于超級電容器電極材料能夠達到較高的比容量且具有優異的倍率性能。

我們首次合成了一種NiFe₂O₄微球作為超級電容器電極材料，通過SEM表征能夠發現使用此方法合成的NiFe₂O₄，其微觀結構呈現球形，尺寸為2～3μm，微球表面不光滑，由均勻細小顆粒堆砌而成。通過分析投射電鏡掃描表征，可以發現，使用本方法制備的微球具有明顯的中空特征。