一种复合电极材料及其制备方法和超级电容器技术

本申请属于超级电容器制造技术领域，具体涉及一种复合电极材料及其制备方法和超级电容器。本发明专利技术所提供的电极材料以泡沫金属作为基体，在其表面生长纳米多孔金属薄膜，然后在纳米多孔金属‑泡沫金属骨架上沉积纳米级的过渡金属氧化物或过渡金属氢氧化物。测试结果表明，基于该复合材料的超级电容器电极具有极高的比电容和优良的倍率性能。本发明专利技术所涉及的超级电容器复合电极材料具有制备过程简单、工艺参数易于调控等特点。基于该复合电极材料的超级电容器有望应用于下一代可穿戴电子器件与功率型储能设备中。

【技术实现步骤摘要】
一种复合电极材料及其制备方法和超级电容器
本专利技术属于超级电容器制造
，具体涉及一种复合电极材料及其制备方法和超级电容器。
技术介绍
随着经济社会的发展，特别是可携带数码产品、可穿戴电子器件、纯电动汽车以及储能电站领域的迅速发展，人们对于能源存储器件的需求越来越多，性能要求越来越高。因此，具有高能量密度、高功率密度以及长循环寿命的储能器件的开发显得尤为重要。超级电容器是一种性能介于传统电容器与电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、充放电速度快以及循环寿命长等优点，在便携式仪器设备、数据记忆存储系统以及电动交通工具等领域均具有广阔的应用前景。超级电容器主要分为双电层超级电容器与赝电容超级电容器。双电层超级电容器中的电极材料主要为各种高比表面积的碳材料，由于这类材料通过电极与电解质的界面双电层储存电荷，往往存在电容比较低的缺点。赝电容超级电容器主要通过表面或近表面快速、近可逆的法拉第过程来实现电荷存储，因而能够提供较高的比电容。赝电容超级电容器中的电极材料主要包括过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物和导电聚合物。在众多的赝电容电极材料中，过渡金属氧化物或过渡金属氢氧化物由于具有低成本、极高的理论比容量以及优良的电化学氧化还原活性等优点而成为一种具有发展前景的赝电容电极材料。然而，过渡金属氧化物和过渡金属氢氧化物属于半导体，其较差的导电性限制了电化学反应过程中电子的快速输运，因而限制了其在高功率密度要求下的倍率性能。因此，增加赝电容超级电容器的电极材料中的过渡金属氧化物或过渡金属氢氧化物的彼表面积，从而提高赝电容活性材料的利用率以及电极材料的电导率，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种复合电极材料及其制备方法和超级电容器，通过利用导电性能优良、比表面积较大的材料作为载体生长过渡金属氧化物或过渡金属氢氧化物，提高了赝电容活性材料的利用率以及电极材料的电导率，其具体技术方案如下：本专利技术提供了一种复合电极材料，包括：泡沫金属、纳米多孔金属和含氧过渡金属化合物；所述纳米多孔金属包覆在所述泡沫金属的表面；所述含氧过渡金属化合物包覆在所述纳米多孔金属的表面。优选的，所述泡沫金属为泡沫铜、泡沫钛、泡沫镍、泡沫铁或泡沫银。优选的，所述纳米多孔金属为纳米多孔金、纳米多孔铜或纳米多孔镍；所述纳米多孔金属的孔径范围为20～200nm。优选的，所述含氧过渡金属化合物为氢氧化镍、氢氧化钴、二氧化钌、四氧化三钴、二氧化锰或氧化镍。本专利技术还提供了一种上述复合电极材料的制备方法，包括：a)将泡沫金属作为基体，沉积金属合金，得到金属合金-泡沫金属复合电极材料；b)将所述金属合金-泡沫金属复合电极材料进行去合金化，得到纳米多孔金属-泡沫金属复合电极材料；c)将所述纳米多孔金属-泡沫金属复合电极材料作为基体，沉积含氧过渡金属化合物，得到所述复合电极材料。优选的，步骤a)中所述金属合金为二元金属合金；所述二元金属合金为金-铜合金、金-银合金、金-锡合金或镍-锡合金。优选的，步骤a)中所述沉积采用磁控溅射法或电化学沉积法。优选的，步骤b)中所述去合金化采用电化学去合金法或化学去合金法。优选的，步骤c)中所述电化学反应采用水热法、溶胶-凝胶法或电化学沉积法。本专利技术还提供了一种超级电容器，其电极材料为上述复合电极材料和/或上述制备方法得到的复合电极材料。与现有技术相比，本专利技术以泡沫金属作为基体，在其表面生长纳米多孔金属薄膜，提供了一种高孔隙率、高导电性、高比表面积的三维分级多孔结构，然后在其表面沉积活性材料过渡金属氧化物或过渡金属氢氧化物，纳米多孔金属薄膜的存在一方面有效地提高了活性材料的分散程度，提供更多的电化学反应活性位点，提高了活性材料的比电容；另一方面促进了电化学反应过程中的传质与传荷，从而提高活性材料的倍率性能。因此，本专利技术所提供的复合电极材料可作为一种比电容较高、倍率性能优良的赝电容复合电极材料，利于促进低成本的赝电容电极材料在超级电容器商业化应用方面的积极探索与尝试。本专利技术还提供了该复合电极材料的制备方法，操步骤简单，工艺条件温和，适用于大规模生产应用。测试结果表明，本专利技术制备的复合电极材料，在充放电电流密度为2Ag-1时，比电容高达3300Fg-1，在充放电电流密度为50Ag-1时，比电容为1900Fg-1，表明该复合电极材料拥有极高的比电容和良好的倍率性能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1-A为实施例1中的纳米多孔金-泡沫镍复合电极材料的宏观表面形貌SEM图；图1-B为实施例1中的纳米多孔金-泡沫镍复合电极材料的宏观表面形貌SEM图的局部放大图；图2为实施例1中的氢氧化镍-纳米多孔金-泡沫镍复合电极材料的微观表面SEM图；图3为实施例1中的氢氧化镍-纳米多孔金复合电极材料的微观表面TEM图像；图4为实施例1中的氢氧化镍-纳米多孔金-泡沫镍复合电极材料在不同充放电电流密度下的比电容曲线；图5为实施例2中的二氧化锰-纳米多孔金-泡沫镍复合电极材料在不同充循环伏安扫描速率下的比电容曲线。具体实施方式为了克服现有超级电容器电极材料中活性材料含氧过渡金属化合物导电性能较差的问题，本专利技术利用导电性能优良、比表面积较大的材料作为载体生长过渡金属氧化物或过渡金属氢氧化物，用于提高赝电容活性材料的利用率以及电极材料的电导率。本专利技术提供了一种复合电极材料，包括：泡沫金属、纳米多孔金属和含氧过渡金属化合物；所述纳米多孔金属包覆在所述泡沫金属的表面；所述含氧过渡金属化合物包覆在所述纳米多孔金属的表面。本专利技术对泡沫金属没有特别限制，本领域技术人员可以根据产品的实际生产情况及其性能进行选择。在本专利技术中，泡沫金属材料优选为泡沫铜、泡沫钛、泡沫镍、泡沫铁或泡沫银，更优选为泡沫铜、泡沫钛或泡沫镍，最优选为泡沫镍。进一步的，所述泡沫镍的每英寸孔数(PPI)优选为20～140PPI，在本专利技术实施例中，所述泡沫镍的PPI为110PPI。在本专利技术中，所述纳米多孔金属为沉积在泡沫金属上的纳米多孔金属层，该纳米多孔金属由沉积在泡沫金属表面的二元金属合金薄膜经过去合金化后得到的一种高孔隙率、高导电性和高比表面积的三维分级多孔结构。在本专利技术中，所述纳米多孔金属优选为纳米多孔金、纳米多孔铜或纳米多孔镍，更优选为纳米多孔金。本专利技术对纳米多孔金属的制备方法没有特殊的限制，采用本领域所属技术人员所熟知的技术手段进行制备即可，如常规的电化学沉积法和去合金化法。在本专利技术的一些实施例中，所述纳米多孔金属优选为纳米多孔金；在其他一些实施例中，纳米多孔金属为纳米多孔铜或纳米多孔镍。进一步的，所述纳米多孔金属的孔径范围优选为20～200nm，更优选为50～100nm。在本专利技术中，所述含氧过渡金属化合物为本专利技术复合电极材料的活性物质，该活性材料沉积于所述纳米多孔金属的表面。纳米多孔金属三维分级多孔结构的存在一方面有效地提高了活性材料的分散程度，提供更多的电化学反应活性位点，提高了活性材料的比电容；另一方面促进了电化学反应过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合电极材料，包括：泡沫金属、纳米多孔金属和含氧过渡金属化合物；所述纳米多孔金属包覆在所述泡沫金属的表面；所述含氧过渡金属化合物包覆在所述纳米多孔金属的表面。

【技术特征摘要】
1.一种复合电极材料，包括：泡沫金属、纳米多孔金属和含氧过渡金属化合物；所述纳米多孔金属包覆在所述泡沫金属的表面；所述含氧过渡金属化合物包覆在所述纳米多孔金属的表面。2.根据权利要求1所述的复合电极材料，其特征在于，所述泡沫金属为泡沫铜、泡沫钛、泡沫镍、泡沫铁或泡沫银。3.根据权利要求1所述的复合电极材料，其特征在于，所述纳米多孔金属为纳米多孔金、纳米多孔铜或纳米多孔镍；所述纳米多孔金属的孔径范围为20～200nm。4.根据权利要求1所述的复合电极材料，其特征在于，所述含氧过渡金属化合物为氢氧化镍、氢氧化钴、二氧化钌、四氧化三钴、二氧化锰或氧化镍。5.一种权利要求1至4任意一项所述复合电极材料的制备方法，包括：a)将泡沫金属作为基体，沉积金属合金，得到金属合金-泡沫金属复合电极材料；b)将所述金属合金-泡沫金属复合电极材料进行去合...

【专利技术属性】
技术研发人员：施志聪，张邹鑫，柯曦，程乙峰，刘军，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44