一种三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核‑壳复合电极材料的制备方法和应用，它涉及一种电极材料的制备方法和应用。本发明专利技术的目的是要解决现有电极材料的结构不稳定，在大电流充放电测试和长循环测试中结构容易发生塌陷，导致较差的倍率性能和循环性能的问题。方法：一、制备钴‑镍前驱体/镍泡沫材料；二、制备硫钴镍/镍泡沫材料；三、制备钴‑镍前驱体/硫钴镍/镍泡沫复合材料；四、磷化反应，得到三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核‑壳复合电极材料。一种三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核‑壳复合电极材料作为超级电容器电极材料使用。本发明专利技术适用于制备三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核‑壳复合电极材料。
【技术实现步骤摘要】
一种三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核-壳复合电极材料的制备方法和应用
本专利技术涉及一种电极材料的制备方法和应用。
技术介绍
超级电容器作为一种新型的电化学储能元件，具有功率密度高、循环寿命长、充电速度快、工作温度范围宽、绿色环保等优点，因此在众多的能源存储领域具有广泛的应用前景。众所周知，电极材料是超级电容器的关键，它决定着电容器的主要性能指标，如能量密度、功率密度和循环稳定性等，所以制备合成具有优异性能的电极材料成为超级电容器研究的核心课题。目前，提高电容器电化学性能的方法主要有两种：(1)选择理论比电容值较高的金属化合物材料；(2)合理的设计和优化电极结构。过渡金属硫化物作为一种有潜力的赝电容材料，因理论比电容值高、价格低廉且自然储备丰富而受到广泛的应用。然而，由于其电极结构的不稳定性，在大电流充放电测试和长循环测试中结构容易发生塌陷，导致较差的倍率性能和循环性能，现有电极材料在电流密度为1mA·cm-2时，面积比电容约为5F·cm-2，当电流密度增大到50mA·cm-2时，面积比电容保持了约为70％，在5000次循环以后，面积比电容保留了约为80％。因此为了提高过渡金属硫化物的倍率性能和循环性能，电极材料结构的合理设计成了关键解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有电极材料的结构不稳定，在大电流充放电测试和长循环测试中结构容易发生塌陷，导致较差的倍率性能和循环性能的问题，而提供一种三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核-壳复合电极材料的制备方法和应用。一种三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核-壳复合电极材料的制备方法，是按以下步骤完成的：一、制备钴-镍前驱体/镍泡沫材料：①、将泡沫镍浸入到质量分数为20％～30％的盐酸中，再在超声功率为200W～400W下超声10min～20min，取出后再浸入到去离子水中，再在超声功率为200W～400W下超声10min～20min，取出后再在温度为60℃～70℃下干燥10h～12h，得到去除杂质和氧化镍的镍泡沫；②、将六水合氯化钴、六水合氯化镍和尿素加入到去离子水中，搅拌均匀，得到均匀透明的溶液；将均匀透明的溶液转移至水热反应釜中，再将泡沫镍浸泡到均匀透明的溶液中，再将水热反应釜密封后放入温度为100℃～120℃的烘箱中水热反应6h～8h，得到反应产物Ⅰ；使用蒸馏水对反应产物Ⅰ洗涤3次～5次，再在温度为60℃～70℃下干燥10h～12h，得到钴-镍前驱体/镍泡沫材料；步骤一②中所述的六水合氯化钴的物质的量与去离子水的体积比为(4mmol～6mmol):(60mL～80mL)；步骤一②中所述的六水合氯化镍的物质的量与去离子水的体积比为(2mmol～3mmol):(60mL～80mL)；步骤一②中所述的尿素的物质的量与去离子水的体积比为(40mmol～50mmol):(60mL～80mL)；二、制备硫钴镍/镍泡沫材料：①、将九水合硫化钠加入到去离子水中，再在搅拌速度为1000r/min～2000r/min下搅拌10min～20min，得到九水合硫化钠溶液；步骤二①中所述的九水合硫化钠的物质的量与去离子水的体积比为(10mmol～12mmol):(60mL～80mL)；②、将九水合硫化钠溶液加入到水热反应釜中，再将钴-镍前驱体/镍泡沫材料浸入到九水合硫化钠溶液中，再将水热反应釜密封后放入温度为140℃～160℃的烘箱中水热反应6h～8h，得到反应产物Ⅱ；使用蒸馏水对反应产物Ⅱ清洗3次～5次，再在温度为60℃～70℃下干燥10h～12h，得到硫钴镍/镍泡沫材料；三、制备钴-镍前驱体/硫钴镍/镍泡沫复合材料：①、将六水合硝酸钴、氟化氨和尿素加入到去离子水中，搅拌均匀，得到粉色透明的溶液；步骤三①中所述的六水合硝酸钴的物质的量与去离子水的体积比为(2mmol～4mmol):(36mL～50mL)；步骤三①中所述的氟化氨的物质的量与去离子水的体积比为(8mmol～10mmol):(36mL～50mL)；步骤三①中所述的尿素的物质的量与去离子水的体积比为(10mmol～12mmol):(36mL～50mL)；②、将粉色透明的溶液加入到水热反应釜中，再将硫钴镍/镍泡沫材料浸入到粉色透明的溶液中，再将水热反应釜密封后放入温度为80℃～100℃的烘箱中水热反应6h～8h，得到反应产物Ⅲ；使用蒸馏水对反应产物Ⅲ清洗3次～5次，再在温度为60℃～70℃下干燥10h～12h，得到钴-镍前驱体/硫钴镍/镍泡沫复合材料；四、磷化反应：将NaH2PO2·H2O置于管式炉中央的石英舟一端上，且靠近管式炉进气的一端，再将钴-镍前驱体/硫钴镍/镍泡沫复合材料置于石英舟的另一端上，再向管式炉中通入氩气，再在氩气环境下，以2℃·min-1～5℃·min-1的升温速率将管式炉从室温升温至300℃～400℃，再在温度为300℃～400℃下进行磷化反应2h～2.5h，得到三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核-壳复合电极材料；步骤四中所述的NaH2PO2·H2O与钴-镍前驱体/硫钴镍/镍泡沫复合材料的质量为(100～200):(60～80)。一种三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核-壳复合电极材料作为超级电容器电极材料使用。本专利技术的原理：过渡金属磷化物，作为一种典型的n型半导体，由于具有高理论比电容值，低极化和优异的导电性能等优点而逐渐受到科研工作者广泛的研究。基于此本申请将硫化物与磷化物进行复合，以NiCo2S4空心纳米线作为核，以NiCoP纳米片作为壳，设计一种三维多级的核-壳纳米柱阵列结构；一方面，相互交错的NiCoP纳米片作为壳包裹着NiCo2S4空心纳米线能够有效地保护内部的NiCo2S4空心纳米线，防止NiCo2S4空心纳米线结构发生塌陷，保证整个电极材料的稳定性。另一方面，NiCoP纳米片能够为电解液离子提供更加丰富的可进入活性位点，增大电极材料与电解液的接触面积，实现较高的电化学性能。本专利技术的优点：一、本专利技术制备的三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核-壳复合电极材料中空心的NiCo2S4纳米线是由许多的纳米小颗粒组成的，有利于电解液渗透以及增大电解液与电极材料的接触，实现更短的离子传输距离；二、本专利技术制备的三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核-壳复合电极材料中相互交错的NiCoP纳米片作为保护壳，有效的解决了内部的硫化物在大电流与长循环测试中的结构坍塌问题，保证整个电极结构的稳定性，实现更优异的倍率性能和循环性能；三、本专利技术首次将硫化物与磷化物两种理论比电容较高的物质进行复合应用于超级电容器的性能研究方面，该研究在国际、国内文献中均未见报道；四、本专利技术制备的三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核-壳复合电极材料作为超级电容器电极材料，在电流密度为1mA·cm-2时，面积比电容可达5.98F·cm-2；当电流密度增大到50mA·cm-2时，面积比电容保持了70.29％；在5000次循环以后，面积比电容保留了92.94％，因此，本专利技术制备的三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核-壳复合电极材料表现出了高的比电容，优异的倍率性能和循环性能，因此，本专利技术制备的三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核-壳复合电极材料是很有前途的储能电极材料。本专利技术适用于制备三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核-壳复合电极材料。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核‑壳复合电极材料的制备方法，其特征在于一种三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核‑壳复合电极材料的制备方法是按以下步骤完成的：一、制备钴‑镍前驱体/镍泡沫材料：①、将泡沫镍浸入到质量分数为20％～30％的盐酸中，再在超声功率为200W～400W下超声10min～20min，取出后再浸入到去离子水中，再在超声功率为200W～400W下超声10min～20min，取出后再在温度为60℃～70℃下干燥10h～12h，得到去除杂质和氧化镍的镍泡沫；②、将六水合氯化钴、六水合氯化镍和尿素加入到去离子水中，搅拌均匀，得到均匀透明的溶液；将均匀透明的溶液转移至水热反应釜中，再将泡沫镍浸泡到均匀透明的溶液中，再将水热反应釜密封后放入温度为100℃～120℃的烘箱中水热反应6h～8h，得到反应产物Ⅰ；使用蒸馏水对反应产物Ⅰ洗涤3次～5次，再在温度为60℃～70℃下干燥10h～12h，得到钴‑镍前驱体/镍泡沫材料；步骤一②中所述的六水合氯化钴的物质的量与去离子水的体积比为(4mmol～6mmol):(60mL～80mL)；步骤一②中所述的六水合氯化镍的物质的量与去离子水的体积比为(2mmol～3mmol):(60mL～80mL)；步骤一②中所述的尿素的物质的量与去离子水的体积比为(40mmol～50mmol):(60mL～80mL)；二、制备硫钴镍/镍泡沫材料：①、将九水合硫化钠加入到去离子水中，再在搅拌速度为1000r/min～2000r/min下搅拌10min～20min，得到九水合硫化钠溶液；步骤二①中所述的九水合硫化钠的物质的量与去离子水的体积比为(10mmol～12mmol):(60mL～80mL)；②、将九水合硫化钠溶液加入到水热反应釜中，再将钴‑镍前驱体/镍泡沫材料浸入到九水合硫化钠溶液中，再将水热反应釜密封后放入温度为140℃～160℃的烘箱中水热反应6h～8h，得到反应产物Ⅱ；使用蒸馏水对反应产物Ⅱ清洗3次～5次，再在温度为60℃～70℃下干燥10h～12h，得到硫钴镍/镍泡沫材料；三、制备钴‑镍前驱体/硫钴镍/镍泡沫复合材料：①、将六水合硝酸钴、氟化氨和尿素加入到去离子水中，搅拌均匀，得到粉色透明的溶液；步骤三①中所述的六水合硝酸钴的物质的量与去离子水的体积比为(2mmol～4mmol):(36mL～50mL)；步骤三①中所述的氟化氨的物质的量与去离子水的体积比为(8mmol～10mmol):(36mL～50mL)；步骤三①中所述的尿素的物质的量与去离子水的体积比为(10mmol～12mmol):(36mL～50mL)；②、将粉色透明的溶液加入到水热反应釜中，再将硫钴镍/镍泡沫材料浸入到粉色透明的溶液中，再将水热反应釜密封后放入温度为80℃～100℃的烘箱中水热反应6h～8h，得到反应产物Ⅲ；使用蒸馏水对反应产物Ⅲ清洗3次～5次，再在温度为60℃～70℃下干燥10h～12h，得到钴‑镍前驱体/硫钴镍/镍泡沫复合材料；四、磷化反应：将NaH2PO2·H2O置于管式炉中央的石英舟一端上，且靠近管式炉进气的一端，再将钴‑镍前驱体/硫钴镍/镍泡沫复合材料置于石英舟的另一端上，再向管式炉中通入氩气，再在氩气环境下，以2℃·min‑1～5℃·min‑1的升温速率将管式炉从室温升温至300℃～400℃，再在温度为300℃～400℃下进行磷化反应2h～2.5h，得到三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核‑壳复合电极材料；步骤四中所述的NaH2PO2·H2O与钴‑镍前驱体/硫钴镍/镍泡沫复合材料的质量为(100～200):(60～80)。...
【技术特征摘要】
1.一种三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核-壳复合电极材料的制备方法，其特征在于一种三维多级的硫钴镍/磷钴镍/镍泡沫核-壳复合电极材料的制备方法是按以下步骤完成的：一、制备钴-镍前驱体/镍泡沫材料：①、将泡沫镍浸入到质量分数为20％～30％的盐酸中，再在超声功率为200W～400W下超声10min～20min，取出后再浸入到去离子水中，再在超声功率为200W～400W下超声10min～20min，取出后再在温度为60℃～70℃下干燥10h～12h，得到去除杂质和氧化镍的镍泡沫；②、将六水合氯化钴、六水合氯化镍和尿素加入到去离子水中，搅拌均匀，得到均匀透明的溶液；将均匀透明的溶液转移至水热反应釜中，再将泡沫镍浸泡到均匀透明的溶液中，再将水热反应釜密封后放入温度为100℃～120℃的烘箱中水热反应6h～8h，得到反应产物Ⅰ；使用蒸馏水对反应产物Ⅰ洗涤3次～5次，再在温度为60℃～70℃下干燥10h～12h，得到钴-镍前驱体/镍泡沫材料；步骤一②中所述的六水合氯化钴的物质的量与去离子水的体积比为(4mmol～6mmol):(60mL～80mL)；步骤一②中所述的六水合氯化镍的物质的量与去离子水的体积比为(2mmol～3mmol):(60mL～80mL)；步骤一②中所述的尿素的物质的量与去离子水的体积比为(40mmol～50mmol):(60mL～80mL)；二、制备硫钴镍/镍泡沫材料：①、将九水合硫化钠加入到去离子水中，再在搅拌速度为1000r/min～2000r/min下搅拌10min～20min，得到九水合硫化钠溶液；步骤二①中所述的九水合硫化钠的物质的量与去离子水的体积比为(10mmol～12mmol):(60mL～80mL)；②、将九水合硫化钠溶液加入到水热反应釜中，再将钴-镍前驱体/镍泡沫材料浸入到九水合硫化钠溶液中，再将水热反应釜密封后放入温度为140℃～160℃的烘箱中水热反应6h～8h，得到反应产物Ⅱ；使用蒸馏水对反应产物Ⅱ清洗3次～5次，再在温度为60℃～70℃下干燥10h～12h，得到硫钴镍/镍泡沫材料；三、制备钴-镍前驱体/硫钴镍/镍泡沫复合材料：①、将六水合硝酸钴、氟化氨和尿素加入到去离子水中，搅拌均匀，得到粉色透明的溶液；步骤三①中所述的六水合硝酸钴的物质的量与去离子水的体积比为(2mmol～4mmol):(36mL～50mL)；步骤三①中所述的氟化氨的物质的量与去离子水的体积比为(8mmol～10mmol):(36mL～50mL)；步骤三①中所述的尿素的物质的量与去离子水的体积比为(10mmol～12mmol):(36mL～50mL)；②、将粉色透明的溶液加入到水热反应釜中，再将硫钴镍/镍泡沫材料浸入到粉色透明的溶液中，再将水热反应釜密封后放入温度为80℃～100℃的烘箱中水热反应6h～8h，得到反应产物Ⅲ；使用蒸馏水对反应产物Ⅲ清洗3次～5次，再在温度为60℃～70℃下干燥10h～12h，得到钴-镍前驱体/硫钴镍/镍泡沫复合材料；四、磷化反应：将NaH2PO2·H2O置于管式炉中央的石英舟一端上，且靠近管式炉进气的一端，再将钴-镍前驱体/硫钴镍/镍泡沫复合材料置于石英舟的另一端上，再向管式炉中通入氩气，再在氩气环境下，以2℃·min-1～5℃·min-1的升温速率将管式炉从室温升温至300℃～400℃，再在温度为300℃～400℃下进行磷化反应2h～2.5h，得到三维多级...
【专利技术属性】
技术研发人员：李渭龙，畅新维，何密，刘迎鸿，任兆玉，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61
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