CN109767925A - 用于锂离子超级电容器的T-Nb2O5/蛋清碳复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锂离子超级电容器的T‑Nb₂O₅/蛋清碳复合材料及其制备方法，将铌酸铵草酸盐水合物加入到水中，搅拌后加入到蛋清中，滴加稀盐酸后继续搅拌溶液至乳白色，水热反应，过滤后冷冻干燥，然后在氮气气氛中进行退火，最后经清洗、干燥、研磨，得到所述的电极材料。该材料可以有效的缓解Nb₂O₅纳米粒子的堆叠团聚，从而增大材料的有效比表面积及活性材料的利用率；富含氮氧元素的蛋清高温退火后生成的碳材料能够提高复合材料的润湿性和导电性；多孔结构有利于促进离子在电极内部快速传输和扩散，从而提高电极材料的倍率性能和循环稳定性。

Description

用于锂离子超级电容器的T-Nb2O5/蛋清碳复合材料及其制备 方法

技术领域

本发明涉及锂离子超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种用于锂离子超级电容器的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳复合电极材料及制备方法。

背景技术

由于对可再生清洁能源的迫切需求，电化学能源存储设备备受关注并被广泛的研究。在所有的电化学能源储存设备中，超级电容器和锂离子电池是两种备受青睐的能源存储***。超级电容器（双电层电容器）通过电极表面快速稳定的电荷吸附/脱附而具有较高的功率密度，但受限于电极材料的比表面积导致其能量密度通常较低。对于锂离子电池，由于锂离子可以嵌入到电极材料内部从而产生较高的能量密度，但较慢的锂离子扩散动力导致其功率密度和循环寿命不尽人意。锂离子超级电容器（LISC）是一种有前景的能源储存设备，可充分利用超级电容器和锂离子电池的优势。简单来说，LISC是由支持快速可逆的锂离子嵌入/嵌出特性的电池型正极材料和表现出电荷吸脱附性能的电容型负极材料组装而成。在两种电容储存机制的协同作用下，LISC的功率密度、能量密度和循环寿命均得到明显的改善。然而，LISC的整体性能受限于电池型电极较慢的氧化还原反应，从而功率密度有限。因此，对于组建超高性能的LISC，寻找和开发有前景的高倍率性能的电极材料是极其重要的。

Nb₂O₅因其理论电容高达200 mAh/g，同时能够与电极表面的锂离子发生可逆的赝电容反应而产生较高的功率密度而备受关注。其独特的锂离子赝电容特性能够确保Nb₂O₅拥有出色的动力学—锂离子能够快速嵌入电极材料而不产生任何晶相转变，从而具有较好的循环稳定性。然而，Nb₂O₅电极的应用受限于其较低的导电性和离子扩散速率。近年来，研究者们做出了大量努力来克服这些困难，如复合导电材料、掺杂异质元素以及纳米化结构设计等。然而，这些合成方法存在以下问题：严苛的实验合成条件、Nb源前驱体的低效利用性及特殊的辅助设备。因此，寻找高效、简单的方法合成纳米结构Nb₂O₅以及Nb₂O₅复合材料仍面临诸多挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于锂离子超级电容器的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳电极材料及制备方法。

为解决以上技术问题，本发明提供了所述多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳电极材料的制备方法，该方法是将铌酸铵草酸盐水合物（C₄H₄NNbO₉·xH₂O；99.99%）置于蛋清中进行水热反应，过滤后冷冻干燥，然后在氮气气氛中进行退火，最后经清洗、干燥、研磨，得到用于锂离子超级电容器的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳电极材料，具体步骤如下：

1）蛋清预处理：将蛋黄去除，搅拌均匀后待用。

2）将铌酸铵草酸盐水合物（C₄H₄NNbO₉·xH₂O；99.99%）加入到去离子水中，搅拌后加入到蛋清中，滴加稀HCl后继续搅拌溶液至乳白色。

3）在180～200℃下水热反应20～24 h，自然冷却到室温后过滤、冷冻干燥，得到混合物。

4）在氮气氛围下，以2～5℃/min的升温速率升温到700～800℃，恒温2～4 h，得到复合产物。

5）用去离子水和无水乙醇反复清洗数次，干燥后研磨，得到锂离子超级电容器用多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳电极材料。

进一步地，按0.2g：10 mL的比例将铌酸铵草酸盐水合物加入到去离子水中，先将铌酸铵草酸盐水合物加入到去离子水中是为了将铌酸铵草酸盐水合物均匀分散在去离子水中，如果直接将其加入到蛋清中，由于蛋清黏度较大，即使搅拌也不能确保其均匀分散在蛋清中。给出的比例是确保铌酸铵草酸盐水合物能充分分散在去离子水中，比例太高不能达到充分分散的目的，比例太低会稀释蛋清浓度，对最终形成复合物的电化学性能不利。

进一步地，铌酸铵草酸盐水合物与蛋清的添加比例为0.2g：60 mL，铌酸铵草酸盐水合物是铌源，蛋清是碳源，比例太高，最终产物碳含量少，导电性不好，Nb₂O₅纳米粒子堆积团聚；比例太低，最终产物铌含量低，电化学性能不佳。

进一步地，滴加0.5 mL 2 mol/L 稀HCl后继续搅拌溶液30 min至乳白色，滴加适当浓度的稀盐酸有利于形成高储能性能的正交相晶型的Nb₂O₅，浓度太高，副产物量增加，电化学性能不佳。

进一步地，本发明所述的水热反应是在蛋清乳液中，以180～200℃的目标温度反应20～24 h。经反复试验证明，合适的目标温度和反应时间，有利于Nb₂O₅纳米粒子均匀分布于蛋清中，有利于获得性能更好的复合材料以及更高的产率。

进一步地，退火时，以2～5℃/min的升温速率升温至700～800℃，后恒温2～4 h。退火温度在700～800℃有利于生成正交相晶型的Nb₂O₅（T-Nb₂O₅）。合适的升温速率和恒温时间，有利于多孔碳球的生成并确保T-Nb₂O₅纳米粒子均匀分布在碳球中，从而提高原料的利用率。

进一步地，将退火后取得的产物用去离子水和无水乙醇洗清多次，然后进行干燥，最后研磨成粉末即可用作电极活性材料。用无水乙醇可以除去存在于产物中的有机物等副产物，从而提高复合材料的电容性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）蛋清水热处理Nb源，可以有效的缓解Nb₂O₅纳米粒子的堆叠团聚，从而增大材料的有效比表面积及活性材料的利用率。

2）富含氮氧元素的蛋清高温退火后生成的碳材料能够提高复合材料的润湿性和导电性。

3）蛋清作为生物质，其来源丰富、可再生、环境友好，通过简单、绿色的处理工艺即可制得多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳材料，用作电极材料在锂离子超级电容器中具有较好的电容性能。

4）本发明制备工艺简单、绿色，可有效降低电极材料的生产成本，增强环境友好性。

附图说明

图1为实施例芦苇膜的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳材料的SEM图。

图2为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳材料的TEM图。

图3为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳材料的HRTEM图。

图4为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳材料的XRD谱图。

图5为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳材料的TGA图。

图6为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳材料的XPS谱图。

图7为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳电极材料的循环伏安曲线图。

图8为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳电极材料在不同电流密度下的比容量图。

图9为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳电极材料的恒流充放电曲线图。

图10为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳电极材料的比容量随循环次数的变化图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行详细地说明。

本发明以草酸铌为Nb源、鸡蛋清为C源，通过水热—退火两步法可制备出富氮多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳复合材料。这种材料可以有效的缓解Nb₂O₅纳米粒子的堆叠团聚，从而增大材料的有效比表面积及活性材料的利用率；富含氮氧元素的蛋清高温退火后生成的碳材料能够提高复合材料的润湿性和导电性；多孔结构有利于促进离子在电极内部快速传输和扩散，从而提高电极材料的倍率性能和循环稳定性。

本发明采用蛋清为碳源，制得多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳复合材料。蛋清属于可再生生物质，实现了蛋清高效资源化利用。制备过程简单绿色，对设备腐蚀小，具有环境友好性。可有效提高锂离子超级电容器性能，降低电极材料生产成本。

（一）制备工艺及其产品表征

实施例：

1）蛋清预处理：将蛋黄去除保留蛋清，搅拌均匀后待用。

2）0.2 g铌酸铵草酸盐水合物（C₄H₄NNbO₉·xH₂O；99.99%）加入到10 mL去离子水中，搅拌后加入到60 mL蛋清中，滴加0.5 mL 2 mol/L HCl后继续搅拌溶液30 min至乳白色，混合乳液移入100 ml水热反应釜中。

3）将反应釜放入烘箱中，在180℃下水热反应24 h，自然冷却到室温，对棕色沉淀物进行过滤、冷冻干燥，得到混合物。

4）将混合物置入坩埚中，在氮气氛围下移入管式炉，以2℃/min的升温速率升温到700℃，恒温2 h，得到复合产物。

5）用去离子水和无水乙醇清洗多次，干燥后研磨，得到锂离子超级电容器用多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳电极材料。

以上多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳材料的SEM图如图1所示，经水热—退火处理后，复合材料呈现不规整疏松球形结构，纳米球表面相对粗糙。图2为复合材料的TEM图，从中可以清楚的看到碳球具有丰富的孔结构。图3 为复合材料的HRTEM图，从图3可以明显的看到Nb₂O₅尺寸大约为5~10 nm，且均匀的分布在碳球中，这种纳米尺寸的Nb₂O₅在锂离子嵌入/嵌出过程中能够提供超短距离的锂离子扩散途径，从而提高其表面赝电容电化学性能。Nb₂O₅纳米粒子的晶格间距为0.39 nm，对应于正交相Nb₂O₅的（001）晶面，说明成功制备了多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳材料。

图4为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳材料的XRD图谱。由图4可见，样品的衍射峰对应于T-Nb₂O₅的（001）、（108）、（181）、（002）、（380）及（182）衍射晶面（JCPDF：30-0873），说明成功制备了T-Nb₂O₅/蛋清碳材料。

图5为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳材料和蛋清碳的热重分析图。由图5可见，当温度升到800℃之后，T-Nb₂O₅/蛋清碳材料最终质量残余大约为58.3%，而蛋清碳质量残留4.2%左右，从而说明T-Nb₂O₅/蛋清碳材料中Nb₂O₅的质量含量大约为54%。

图6为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳材料和蛋清碳的XPS全谱图。由图6可知，复合材料的XPS全谱中检测到明显的Nb 3d、C 1s、O 1s、Nb 3s、Nb 3p及N 1s六个特征峰，证明样品近表面范围内的元素组成为Nb、C、N及O等，N、O元素的存在可有效的改善复合材料的电容性能。

（二）应用及其效果

取上述实施例制得的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳电极材料进行试验：

将T-Nb₂O₅/蛋清碳材料、乙炔黑（super P）及聚偏二氟乙烯（PVDF）按80:10:10的质量比均匀混合于N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP)以形成浆料，然后将浆料均匀地涂覆在Cu箔上，使用纯金属锂片作为对电极和参比电极，隔膜选用多孔聚丙烯薄膜（Celgard 2500），电解液为溶解于碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯（EC/DMC，体积比1:1) 混合溶剂中的1M LiPF6，组装成CR2032型纽扣电池，进行电化学性能测试。

图7为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳电极材料的循环伏安曲线图。由图7可见，所测样品的循环伏安曲线在1.4 ~ 2.1 V范围内出现宽广的正极和负极峰，这是由于Nb₂O₅快速可逆的氧化还原反应和锂离子在Nb₂O₅晶体中快速传输所产生的。此外，随着扫描速率的增加，CV曲线的基本形状没有发生明显的变形，说明电极材料具有较好的可逆性。

图8为实施例制备的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳电极材料电容量的阶梯图。由图8可见，所测样品拥有可逆电容168.8、153.7、144.0、127.6、115.4、100.3及87.2 mAh/g，分别对应于0.1、0.2、0.5、0.8、1、2及5 A/g，5 A/g时的电量是0.1 A/g时电量的51.7%，说明电极具有较好的倍率性能。这可能是由于碳骨架良好的导电性，促进电子快速传输从而提高电极材料的利用率。

图9为实施例制备的电极材料的恒流充放电曲线。由图9可见，样品的恒流充放电曲线随着电流密度的增大没有出现明显的变形，说明电极材料具有较好的电容性能和倍率性能。

图10为实施例制备的电极材料的比容量随循环次数的变化图。由图10可见，实施例制备的电极材料在循环过程中较稳定且循环1000次后仍有较高的电容保持率，说明其具有出色的循环稳定性。

以实施例制得的多孔T-Nb₂O₅/蛋清碳电极材料形成的电极片具有出色的电容性能。当电流密度从0.1 A/g增加到5 A/g时，电量保持率达到51.7%，在电流密度为0.8 A/g下恒流充放电1000次，容量保持率为88.1%。

Claims (8)

1.T-Nb₂O₅/蛋清碳复合材料的制备方法，其特征在于，将铌酸铵草酸盐水合物加入到水中，搅拌后加入到蛋清中，滴加稀盐酸后继续搅拌溶液至乳白色，水热反应，过滤后冷冻干燥，然后在氮气气氛中进行退火，最后经清洗、干燥、研磨，得到所述的电极材料。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按0.2g：10 mL的比例将铌酸铵草酸盐水合物加入到去离子水中。

3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，铌酸铵草酸盐水合物与蛋清的添加比例为0.2g：60 mL。

4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，滴加0.5 mL 2 mol/L 稀盐酸后继续搅拌溶液30 min至乳白色。

5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在180～200℃下水热反应20～24 h。

6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，以2～5℃/min的升温速率升温至700～800℃，后恒温2～4 h。

7.如权利要求1-6任一所述的方法制备的T-Nb₂O₅/蛋清碳复合材料。

8.如权利要求1-6任一所述的方法制备的T-Nb₂O₅/蛋清碳复合材料作为电极活性材料的应用。