[發明專利]一種柔性蜂巢狀雙金屬氮化物超級電容器電極及制備方法

有效

• 申請號: 202110443519.7
• 申請日: 2021-04-23
• 公開（公告）號: CN113270274B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 李坤振;趙邦傳;白金;童鵬;朱雪斌;孫玉平
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: H01G11/32
• 分類號: H01G11/32;H01G11/46;H01G11/86;H01G11/22;H01G11/30
• 代理公司: 合肥市長遠專利代理事務所(普通合伙) 34119
• 代理人: 干桂花

本發明公開了一種柔性蜂巢狀雙金屬氮化物超級電容器電極及制備方法，涉及超級電容器電極材料技術領域，包括以下步驟：將硝酸鈷、硝酸鎳溶于甲醇中，再加入2?甲基咪唑，攪拌，得鈷鎳的甲醇溶液；將柔性多孔導電基底依次放入鹽酸、丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗，真空干燥；將柔性多孔導電基底和鈷鎳的甲醇溶液加入高壓釜中，升溫反應，得到生長在基底上的Ni?Co LDH前驅體樣品，清洗，真空干燥，然后將其置于管式爐中，通入氮源，升溫，保溫反應，得到生長在基底上的Ni?Co?N多孔薄膜樣品，即得。本發明采用溶劑熱法在柔性多孔導電基底上原位生長三維層狀多級多孔蜂巢狀Ni?Co?N多孔薄膜，其在用作超級電容器電極時表現出優異的循環穩定性和超高的倍率性能。

技術領域

本發明涉及超級電容器電極材料技術領域，尤其涉及一種柔性蜂巢狀雙金屬氮化物超級電容器電極及制備方法。

背景技術

隨著社會的不斷發展，人們對能源的需求不斷增加，同時由于傳統化石燃料的逐漸枯竭及其帶來的環境污染問題日益嚴重，探索和發展新型環保、綠色、高效及可持續的新能源變得日益迫切。超級電容器作為一種新型綠色儲能設備，具有功率密度大、快充快放、循環穩定性好、綠色安全等優點，在軌道交通、混合動力汽車、風力/光伏發電、柔性可穿戴電子通信設備、智能電網等眾多領域都有著廣泛的應用前景。超級電容器主要由電極材料(正、負極材料)、隔膜、電解液及封裝材料構成，其中電極材料性能的優劣直接影響了超級電容器的電化學性能。目前成熟商用的超級電容器電極材料是活性碳。盡管活性碳在實際應用過程中有著很大的優勢，但也存在著諸多的缺陷，例如活性碳的理論比容量(≤200F/g)較低，導致能量密度偏小，這嚴重限制了其大規模應用。因此，開發同時具備高比容量、優異循環穩定性和倍率性能、高電壓窗口的電極材料是超級電容器研究中最核心的課題之一。

另外，利用納米粉末材料通過傳統的漿料處理方法制備的電極中通常含有粘合劑和導電劑，消除了許多活性位點，削弱了納米材料的積極作用。這種電極結構引入了額外的隨機界面，這可能不利于電荷的直接轉移，并可能引發額外的副反應。無序的表面和界面，離子通道的彎曲度也會增加，不利于電解質的質量傳輸。此外，粘結劑和添加劑可能會干擾對儲能機理的分析效果，增加了系統和噪聲的復雜性。當其應用于柔性/可穿戴電子等新興技術時，傳統的粉末電極與活性納米材料物理粘附在集流體表面，由于膜電極容易脫落，其彎曲、扭曲或折疊的能力較差。特別是粉末電極與(準)固態電解質之間的界面接觸往往較差，可能限制離子傳輸并增加極化，從而影響柔性電化學能量存儲設備的能量和功率密度。為了克服納米材料在傳統電極制備過程中的局限性，改善電極的性能，必須合理設計并優化電極結構，利用電化學反應中的相關表界面。

過渡金屬氮化物(TMN)是一類間隙化合物，其中氮原子被整合到本體金屬的間隙位置中，兼具共價化合物、離子晶體和過渡金屬的特性。由于TMN具有獨特的電子結構，高電導率，優異的化學穩定性，引人入勝的電化學活性以及出色的機械強度，因此已應用于許多領域，特別是在能量轉換和存儲方面。在過渡金屬氮化物中，鎳和鈷基化合物是兩類具有較高電化學活性的電極材料。然而，鈷基化合物雖具有良好的電化學可逆性，但其比電容較低。相比之下，鎳基化合物可以提供更高的比電容，但其可逆性相對較差。因此，制備鎳、鈷基復合材料可以提高電極材料整體的電化學性能。事實上，鎳鈷氫氧化物，鎳鈷氧化物和鎳鈷硫化物作為超級電容器的電極材料已經得到了很好的研究。然而，鎳鈷氮化物在超級電容器中的應用報導的并不是很多，特別是柔性鎳鈷氮化物超級電容器電極材料。因此，鎳鈷氮化物作為柔性電極材料可能具有良好的應用潛力。

基于納米技術修飾，并通過和高導電性材料的復合，一直被廣泛應用于提高電極材料的電子電導。但是，由于成本高、量產低、過程繁瑣以及其超電性能不夠優異等一系列問題的存在，使得鎳鈷氮化物材料的應用仍然受到諸多的限制。因此探索一種新型的、低成本、高產量的制備方法以獲得性能更加優越的雙金屬氮化物電極材料具有重要意義。

發明內容