[發明專利]一種納米金屬氧化物/碳基柔性電極材料的制備方法

在審

• 申請號: 201910346039.1
• 申請日: 2019-04-26
• 公開（公告）號: CN110148534A
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發明（設計）人: 王連邦;占靜;蘇利偉;吳昊;鄭華均
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/24;H01G11/46;H01G11/32;B82Y30/00
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;俞慧

一種納米金屬氧化物/碳基柔性電極材料的制備方法，按照以下步驟進行：(1)將柔性碳基底清洗、烘干；(2)稱取金屬鹽和尿素溶解在醇溶劑中，攪拌均勻使其完全溶解，得到混合溶液；(3)將碳基底置于混合溶液中超聲處理；(4)將超聲處理后的混合物進行高溫處理；(5)將高溫處理后的產物自然冷卻到室溫，洗滌，真空干燥得到膠狀膜前驅體；(6)將膠狀膜前驅體在氬氣或氫氬混合氣氛中焙燒，得到納米金屬氧化物/碳基柔性電極材料。本發明制備成本低，過程簡便，操作安全可靠、無毒無害，適合規模化綠色發展，能將物相、尺寸和分布均可控的氧化物納米顆粒牢固地附著在碳基體表面，克服了現有電極材料利用率低、導電性差和不穩定等缺陷。

技術領域

本發明涉及一種新型納米金屬氧化物/碳基柔性電極材料的制備方法。

背景技術

超級電容器具有壽命長(>1萬次)、功率高、充放電快及環境友好等特點，是智能電站構建、新能源汽車和便攜式電子設備的重要部件，而電極材料的組成、結構和性能嚴重影響電容器的成本和應用。廉價金屬氧化物(如MnO₂、MnO、NiO和Co₃O₄)具有理論容量高、儲量豐富、價格低廉和環境友好等特點，有望取代低容量的碳材料和高成本的RuO₂，但低電導率、低利用率和非柔性等因素大大阻礙了其性能的發揮。就電極制備而言，傳統方法需要將活性物質、導電劑、粘結劑和分散液按一定比例混合均勻后涂在集流體上，需要考慮物質比例、分散液性質(如化學成分、粘性、穩定性和安全性)、與集流體的親和性、電極的壓實密度和孔隙率等因素的復雜影響，尤其導電劑、粘結劑和集流體的存在大大降低了活性物質在電極中的含量及能量密度。近年來柔性儲能器件研發受到格外重視，其技術核心是在高導電、高柔性、高穩定且低價格的集流體上直接負載活性物質，制備成“無粘結劑無集流體”的柔性電極，避免了傳統壓片、涂布工藝和粘結劑/集流體的使用對電極材料穩定性及電容性能的影響，具有巨大的應用前景。目前相關的制備方法已有報道，主要包括溶劑熱、電沉積、溶膠凝膠法等，但這些方法操作比較復雜、成本較高，難于適應大規模化生產。因此，開發一種簡單高效、環保安全且適于規模化生產的柔性復合電極制備方法成為該領域的研究重點。本發明結合金屬氧化物和碳基材料的特點，對“無粘結劑無集流體”柔性復合電極的制備方法進行了研究，以期改善當前柔性電極的性能和性價比。

發明內容

針對現有技術中的不足，本發明提供了一種制備成本低、過程簡便、操作安全可靠、不涉及有毒有害化學品的制備、適合規模化綠色發展的納米金屬氧化物/碳基柔性電極材料的制備方法，該制備方法將物相、尺寸和分布均可控的氧化物納米顆粒牢固地附著在碳基體表面，克服了現有電極材料利用率低、導電性差和不穩定等缺陷。

為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

一種納米金屬氧化物/碳基柔性電極材料的制備方法，按照以下步驟進行：

(1)將柔性碳基底清洗、烘干；

(2)稱取金屬鹽和尿素溶解在醇溶劑中，攪拌均勻使其完全溶解，得到混合溶液；所述金屬鹽為氯化錳、高錳酸鉀、醋酸鎳、硝酸鎳、醋酸鈷和氯化鈷中的至少一種，所述混合溶液中金屬鹽濃度為6～120mM，尿素濃度為23～420mM；

(3)將步驟(1)處理后的碳基底置于步驟(2)得到的混合溶液中超聲處理；

(4)將超聲處理后的混合物進行高溫處理，高溫處理溫度是120～200℃，處理時間為10～90min；

(5)將高溫處理后的產物自然冷卻到室溫，洗滌，真空干燥得到膠狀膜前驅體；

(6)將步驟(5)得到的膠狀膜前驅體在氬氣或氫氬混合氣氛中焙燒，當金屬為Mn時，焙燒氣氛為氫氬混合氣氛，所述氫氬混合氣氛中H₂體積含量為5％-15％；當金屬為Ni或Co時，焙燒氣氛為氬氣，升溫速率5-20℃/min，焙燒溫度為400～800℃，焙燒時間4～8h，得到納米金屬氧化物/碳基柔性電極材料。