CN102509628A - 超级电容器用纳米Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料及制备方法 - Google Patents
超级电容器用纳米Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种超级电容器用纳米Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料及制备方法。该方法以镍盐为原料,首先通过水热法制备了纳米结构的β-Ni(OH)2,然后通过化学沉淀法在β-Ni(OH)2表面沉积一层Co(OH)2,得到β-Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料。表面的Co(OH)2在充放电过程中转化为导电性较高的CoOOH,在Ni(OH)2表面形成一层导电网络,提高了材料的导电性,使得材料的电化学性能得到较大改善,2A/g电流密度下,放电容量可达到2353F/g,20A/g电流密度下,放电容量还能保持在1356F/g左右。本发明工艺简单,易于实施。用料简单,且原料成本低廉,应用前景十分广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种超级电容器用电极材料及制备方法,特别是一种超级电容器用纳米Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料及制备方法。
背景技术
超级电容器作为一种新型储能装置,具有功率密度高、充放电循环寿命长等优点。用作超级电容器电极的材料主要有碳材料、过渡金属氧化物/氢氧化物和导电聚合物。碳材料作为电极材料时,主要靠电解液与材料表面形成的双电层进行储能,能量密度相对较低。金属氧化物/氢氧化物和导电聚合物利用材料表面发生的法拉第反应进行储能,能量密度比较高。由于具有较高的理论容量,金属氧化物/氢氧化物成为研究热点。氢氧化镍作为电极材料具有较高的理论比容量,但是目前商用的球形氢氧化镍颗粒比较大,比表面较小,用作电容器电极材料时,比容量较低。因此,制备高比表面积的纳米氢氧化镍是提高电极材料比容量的有效途径。制备纳米氢氧化镍的方法主要有高能球磨法、固相反应法、沉淀转化法、溶胶凝胶法等,水热法因具有设备简单、步骤简便、所得产物粒径大小均一、形貌结构可控等特点,而被广泛采用。由于氢氧化镍是P型半导体,其较差的导电性降低了材料的电化学性能。通过在氢氧化镍表面包覆一层氢氧化钴,可有效改善材料的导电性进而可以提高材料的电化学性能(美国专利US3066178A)。中国专利CN 200410043722.1公开了用共沉淀的方法制备了Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料,以其作为正极与活性炭负极构成的电容器,缺点是该制备方法过程中容易发生吸留或包埋的共沉淀,反应中引入的杂质不易除去,特别是形成胶体沉淀,后续过程难于处理,同时消耗大量的洗涤溶剂和水;由于Co(OH)2是以共沉淀的方式进入到Ni(OH)2的晶格当中,大电流充放电时,颗粒内部的Co(OH)2不能得到有效利用,因而造成了Co的浪费,而且这种掺杂方式并不能改善Ni(OH)2颗粒与集流体之间的导电性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的超级电容器用纳米Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料及制备方法。该方法通过简单易行的水热合成制备了纳米结构的β-Ni(OH)2,通过化学沉淀的方法在其表面沉积适量的Co(OH)2,可以克服已有技术的缺点,能够充分利用沉积在表面的Co(OH)2,提高了材料的导电性,使得材料的放电比容量和倍率性能得到了显著的提高。
本发明提供的超级电容器用纳米Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料是以可溶性镍盐和钴盐为原料,镍盐首先在有机溶剂存在下进行水热反应,分离出沉淀物Ni(OH)2;Ni(OH)2重新分散于水中,依次加入钴盐溶液和碱性溶液进行沉淀反应,生成的Co(OH)2沉积在Ni(OH)2纳米颗粒表面形成共沉淀物,其干燥后得到纳米Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料。其中反应物料的配比:镍盐的浓度为0.01~2mol/L,镍盐溶液与有机溶剂的体积比为1~40∶1。Ni与Co的摩尔质量比为20~60∶1。
本发明提供的超级电容器用纳米Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料的制备方法包括的步骤:
1)按计量将镍盐水溶液与有机溶剂混合,强力搅拌均匀后转移至反应釜中,然后将反应釜置于120~240℃烘箱中进行水热反应1~30h,冷却至室温,取出沉淀物离心,置于40~80℃空气中干燥后得到浅绿色的β-Ni(OH)2粉末。
2)将上述粉末均匀分散于水中后加入钴盐水溶液,再加入碱性溶液于20~80℃下反应0.5~10h,滤出沉淀物、水洗涤、置于40~80℃烘箱中干燥后得到β-Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料。碱液的浓度为0.01~5mol/L。
所述的镍盐为氯化镍、溴化镍、硫酸镍、硝酸镍、乙酸镍、甲酸镍或氨基磺酸镍中的至少一种;有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙三醇、或三乙醇胺中的至少一种。
所述的钴盐为氯化钴、溴化钴、硝酸钴、硫酸钴或乙酸钴中至少一种。
所述的碱性溶液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂中的至少一种。
所述的Co与Na或K或Li的摩尔质量比为1∶2~1∶6。
本发明通过水热合成法制备了具有较高比表面积的纳米级β-氢氧化镍,并通过化学沉积的方法在氢氧化镍颗粒表面包覆了一层Co(OH)2。纳米结构具有较高的比表面积,可以提高活性物质的利用率,有效改善大倍率性能。在充放电过程中,表面的Co(OH)2转化成CoOOH,形成一层导电网络,提高了材料的导电性,使得电子在材料与集流体之间的传递更加有效、快速。较高的比表面积可以提高材料的比容量,而导电性的改善又能提高材料的功率性能,大大提高了氢氧化镍电容器电极材料的电化学性能。2A/g电流密度下,放电容量可达到2353F/g,20A/g电流密度下,放电容量还能保持在1356F/g。本发明使得材料的容量显著提高,且工艺简单,易于实施。用料简单,且原料成本低廉,应用前景十分广阔。
附图说明
图1为纯相β-氢氧化镍及β-氢氧化镍与氢氧化钴复合材料的X射线粉末衍射(XRD)图。
图2为β-氢氧化镍(a)及β-氢氧化镍与氢氧化钴(b)复合材料的扫描电镜图(SEM)。
图3为β-氢氧化镍与氢氧化钴复合材料的能量分散谱图(EDS)。
图4为纯相β-氢氧化镍在不同电流密度下的放电曲线图。
图5为β-氢氧化镍与氢氧化钴复合材料在不同电流密度下的放电曲线图。
图6为包覆氢氧化钴前后β-氢氧化镍的倍率性能和循环性能图。
具体实施方式
实施例1:
1)将2mmol Ni(CH3COO)2·4H2O溶于57.5ml蒸馏水,室温搅拌均匀;
2)然后加入2.5ml丙三醇,充分搅拌均匀后将溶液转移至反应釜中,置于200℃烘箱中,水热反应6h,降至室温后将沉淀物离心、于60℃烘箱中干燥,得到浅绿色的β-Ni(OH)2粉末。
3)称取0.1g制备的β-Ni(OH)2均匀分散于5ml蒸馏水中,充分搅拌使其分散均匀,加入1ml 0.05M Co(NO3)2溶液,充分搅拌后,加入2ml 0.05MNaOH溶液,25℃搅拌1h后,将沉淀物离心、置于60℃烘箱中干燥后得到浅绿色的β-Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料。
称取85wt%的β-Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料和10wt%的CoO,搅拌使之混合均匀,然后加入5wt%的聚四氟乙烯溶液,滴加适量的蒸馏水,调成糊状后均匀涂覆在泡沫镍上,60℃下烘干后加压得到测试电极。
图1是纯相β-Ni(OH)2及β-Ni(OH)2的XRD图,谱图与β-Ni(OH)2的标准谱图(JCPDS14-0117)相对应,包覆Co(OH)2后,材料的晶体结构基本上没有发生变化。
图2是复合材料的SEM图,材料所呈现的中间带孔的花状结构由厚度约为20~30nm的纳米片重叠在一块组装而成,直径在1~2μm之间。包覆Co(OH)2后,花状结构基本上没有变化,只是表面变得相对粗糙一些。图3是复合材料的EDS图,表明有Co的存在。在电流密度为2、5、10、20A/g下,花状β-Ni(OH)2的首周放电容量分别为1756、1622、1453、1201F/g。包覆Co(OH)2后,材料的容量得到明显提高,循环性能也有所改善,相同电流密度下,材料的首周放电容量分别达到了2353、2146、1923、1356F/g左右。这是由于充放电过程中,包覆在表面的Co(OH)2在转化为高导电性的CoOOH,提高了材料的导电性。表面包覆Co(OH)2后制备的β-Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料作为电容器电极材料时表现出优异的电化学性能。
实施例2:
1)将4mmol Ni(CH3COO)2·4H2O溶于40ml蒸馏水,室温搅拌均匀;
2)然后加入40ml乙醇,充分搅拌均匀后将溶液转移至反应釜中,置于140℃烘箱中,水热反应24h,降至室温后将沉淀物离心干燥,得到浅绿色的β-Ni(OH)2粉末。
3)称取0.2086g制备的β-Ni(OH)2溶于10ml蒸馏水中,充分搅拌使其分散均匀,加入1ml 0.05M CoCl2溶液,充分搅拌后,逐滴加入4ml 0.05M KOH溶液,50℃搅拌3h,冷却至室温后,将沉淀物离心干燥后得到浅绿色的β-Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料。
称取85wt%的β-Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料和10wt%的CoO,搅拌使之混合均匀,然后加入5wt%的聚四氟乙烯溶液,滴加适量的蒸馏水,调成糊状后均匀涂覆在泡沫镍上,60℃下烘干后加压得到测试电极。
经扫描电镜分析发现,添加剂为乙醇时,制备的β-Ni(OH)2为片状结构。在相同条件下进行电化学测试,电流密度为2、3A/g时,β-Ni(OH)2的首周放电容量分别为1157、997F/g。包覆Co(OH)2后,复合材料的容量也有所增加。
本发明以蒸馏水作为溶剂,有机溶剂作为添加剂,水热制备了纳米结构的β-Ni(OH)2,并通过化学沉积的方法,在材料表面包覆一层Co(OH)2,制备了β-Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料,提高了材料的导电性,使得材料的容量显著提高,且工艺简单,易于实施。原料成本低廉,应用前景十分广阔。
Claims (10)
1.一种超级电容器用纳米Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料,以可溶性镍盐和钴盐为原料,其特征在于:镍盐首先在有机溶剂存在下进行水热反应,分离出沉淀物Ni(OH)2,Ni(OH)2重新溶解于水中,依次加入钴盐溶液和碱性溶液进行沉淀反应,沉淀物干燥;其中反应物料的配比:镍盐的浓度为0.01~2mol/L,镍盐溶液与有机溶剂的体积比为1~40∶1;Ni与Co的摩尔质量比为20~60∶1。
2.一种权利要求1所述的超级电容器用纳米Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)按计量将镍盐水溶液与有机溶剂混合,强力搅拌均匀后转移至反应釜中,然后将反应釜置于120~240℃烘箱中进行水热反应1~30h,冷却至室温,取出沉淀物离心、置于40~80℃烘箱中干燥后得到浅绿色的β-Ni(OH)2粉末。
2)将上述粉末均匀分散水中后加入钴盐水溶液,再加入碱性溶液于20~80℃下反应0.5~10h,滤出沉淀物、水洗涤、置于40~80℃空气中干燥后得到β-Ni(OH)2与Co(OH)2复合材料。
3.按照权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述的镍盐为氯化镍、溴化镍、硫酸镍、硝酸镍、乙酸镍、甲酸镍或氨基磺酸镍中的至少一种。
4.按照权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述的碱液的浓度为0.01~5mol/L。
5.按照权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙三醇、或三乙醇胺中的至少一种。
6.按照权利要求2或5所述的制备方法,其特征在于:所述的有机溶剂为乙醇或丙三醇。
7.按照权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述的钴盐为氯化钴、溴化钴、硝酸钴、硫酸钴或乙酸钴中至少一种。
8.按照权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述的碱性溶液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂中的至少一种。。
9.按照权利要求8所述的制备方法,其特征在于:所述的Co与Na、K或Li的摩尔质量比为1∶2~1∶6。
10.按照权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述的碱性溶液为氢氧化钠、氢氧化钾。
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