[發明專利]一種聚吡咯包覆Ni-Co-S納米針陣列復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010522101.0
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111785526B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 向翠麗;李靚;鄒勇進;劉尹;徐芬;孫立賢
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/48;C01G53/00;B82Y40/00;B82Y30/00
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本發明公開了聚吡咯包覆Ni?Co?S納米針陣列復合材料，以乙酸鎳、乙酸鈷、尿素、硫脲為原料，制備NF/NiCo₂S₄納米針陣列材料，再以聚吡咯為導電聚合物，通過黏結劑和固化劑，制得聚吡咯包覆Ni?Co?S納米針陣列復合材料，其中，納米針狀結構具有殼?核結構，核結構為NiCo₂S₄，殼結構為聚吡咯。其制備方法包括以下步驟：1）NF/NiCo₂O₄納米針陣列材料的制備；2）NF/NiCo₂S₄納米針陣列材料的制備；3）聚吡咯包覆Ni?Co?S納米針陣列復合材料的制備。作為超級電容器電極材料的應用，窗口電壓為0?0.5V，在放電電流密度為1A/g時，比電容為1800?1900F/g。泡沫鎳載體表面生長的納米針陣列結構規整有序，比表面積大，利于電子的傳輸；采用直接滴覆的方法實現導電聚合物的包覆，有效提高電化學性能。

技術領域

本發明涉及超級電容器技術領域，具體涉及一種聚吡咯包覆Ni-Co-S納米針陣列復合材料的制備及在超級電容器領域的應用。

背景技術

超級電容器，也被稱為電化學電容器，由于其具有高功率密度、長循環壽命、簡單的反應機理和較低的維護成本，有希望在將來代替傳統儲能設備。超級電容器電極材料一直是近年來研究的熱點，法拉第電容電極材料，如過渡金屬氧化物，比電容高，但導電性和穩定性差；過渡金屬硫化物，比電容高，穩定性好，但導電性差；雙電層電容器電極材料，如碳材料，穩定性好，但比電容低。因此，如何將雙電層電容器電極材料和法拉第電容電極材料有機的結合起來，即金屬氧化物或金屬硫化物和碳材料，得到高比電容的材料一直是研究人員關注的焦點。

近年來，過渡金屬硫化物已被研究用作高性能超級電容器的新型電極材料，尤其CoS_x和NiS_x具有低成本，低毒性、較高的贗電容和良好的柔性結構等優點，但是它們的電化學活性仍需要進一步提高。與CoS_x和NiS_x相比，三元Ni-Co-S表現出更優異的電化學性能。Ni和Co離子共存，雙金屬Ni-Co硫化物可產生更豐富的氧化還原反應，這有利于提高電化學活性。Co和Ni陽離子之間的協同作用，價態變換以及電荷跳躍使Ni-Co硫化物的導電性高于單金屬Ni或Co硫化物。

王厚朝等人通過水熱法合成了NiCo₂S₄碳納米管，Ni-Co硫化物不僅使材料表面的氧化反應更豐富。同時通過合成納米管，為離子提供相對較短的擴散途徑，使得電極材料擁有更高的充放電量，最終得到的產物經測試在1A/g的電流密度下，比電容可以達到933F/g。然而僅僅通過漿料衍生的電極往往會增加“死面”，限制了材料的電化學性能，因此，有必要在導電襯底上直接生長鈷鎳硫化物，以促進鈷鎳硫化物在儲能中的有效利用。

為了進一步提高電極材料的導電性，廖明佳等人采用一步溶劑合成法在石墨紙上制備了鎳鈷硫化物，石墨紙作為碳材料基底，具有高比表面積，單位面積上可以負載更多的鈷鎳硫化物，經測試，在1mA/cm²的電流密度下，測得的電極材料的比電容達到了1347F/g。然而石墨紙作為基底材料，不能在強酸性的電解液環境中應用，有一定的局限性，且由于制作工藝復雜，價格相對較高，不適合大規模使用。

泡沫鎳作為一種三維網狀材料，具有密度小、孔隙率大、比表面積大等優點，同時價格低廉，更適合做電極基底材料。王建干等人，以泡沫鎳為基底，開發了一種簡單的一步低溫合成方法，在泡沫鎳上生長分級的NiCo₂S₄超薄納米片做電極材料，經電化學測試，其比電容高達1300F/g。泡沫鎳作為一種優良的基底材料，可以使電極材料直接生長在上面，不需要額外使用粘結劑。然而，當導電材料在工作時，不停地充放電過程會使材料的體積不斷發生變化，從而影響材料的循環性能，使電極材料的使用壽命變短，這又是另外一個需要關注的問題。