复合电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种复合电极材料及其制备方法。所述复合电极材料包括依次设置的碳基薄膜、多孔金属层和电化学活性物质层，其中，所述电化学活性物质层在所述多孔金属层表面原位生长形成。所述复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：提供碳基薄膜，采用电镀法在所述碳基薄膜一表面沉积多孔金属，制备多孔金属层；在所述多孔金属层表面原位生长电化学活性物质，制备电化学活性物质层。

【技术实现步骤摘要】
复合电极材料及其制备方法
本专利技术属于复合电极材料领域，尤其涉及一种复合电极材料及其制备方法。
技术介绍
随着社会的飞速发展，不可再生资源日益减少，环境污染也越发严重，这就迫切需要研发利用新型的高效绿色能源，然而这些都离不开电化学储能。近年来，有关电化学储能器件的研究较多，主要集中在锂离子电池和超级电容器领域。它们可以提供良好的能量密度和功率密度，并且具有优异的循环性能，稳定性较好；有些甚至还具有柔性，可制备成可穿戴器件，从而扩展了其应用领域。因此，电化学储能将持续成为绿色清洁能源中研究的热点和重点，在市场中的份额也将越来越大。电化学储能器件的性能主要决定于电极材料。目前，大多数电化学储能器件的电极制备方法如下：将具有电化学活性的金属氧化物或者双金属氧化物、硫化物粉末与导电剂(炭黑，乙炔炭黑)，聚合物粘合剂(PVDF，聚偏氟乙稀)混合后，加入溶剂N-甲基-2-吡咯烷酮后，搅拌得到均匀的糊状物，然后涂布在集流体铜箔或者泡沫镍上。这种制备方法制作的电极由于使用了热导率很低的聚合物粘合剂，整个电极的内阻和热导率都不理想。因此，在快速充放电时容易产生巨大的热量，并且很难散发到环境中去，不利于器件的稳定性、循环性能和使用寿命的提高。现有常规的电源热管理方案如增加器件附近空气流动、使用热沉等，都是间接的带走器件的热量从而起到降温的作用，虽然能一定程度上降低器件温度，然而这些都没有从根本上解决器件的散热问题。目前有利用高导热的石墨烯膜作为基底，并在其表面或者片层间沉积活电化学活性物质的方法。但由于引入了电导率很低的电化学活性物质，虽然电极的整体热导率得到了提升，整个电极的电导率仍然较低，充放电时还是会产生较大热量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复合电极材料及其制备方法，旨在解决现有电极材料由于电极内阻较大、热导率较低，导致充放电时产生巨大热量、且难于散发，不利于提高器件的稳定性、循环性能和使用寿命的问题。本专利技术是这样实现的，一种复合电极材料，包括依次设置的碳基薄膜、多孔金属层和电化学活性物质层，其中，所述电化学活性物质层在所述多孔金属层表面原位生长形成。以及，一种复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：提供碳基薄膜，采用电镀法在所述碳基薄膜一表面沉积多孔金属，制备多孔金属层；在所述多孔金属层表面原位生长电化学活性物质，制备电化学活性物质层。本专利技术提供的复合电极材料，以所述碳基薄膜作为基底，依次沉积有多孔金属层和电化学活性物质层。所述复合电极材料作为一个整体电极，不仅不需要引入低热导率的聚合物粘合剂材料，而且不需要使用集流体，从而有效的解决了整个电极的易发热难散热的缺点，同时提高了材料的利用率和大大降低了电化学储能器件的总质量和厚度，提升了电化学储能器件的循环性能和使用寿命。本专利技术提供的复合电极材料具有高导电导热的可以直接应用于超级电容器和锂离子电池的电极材料。本专利技术提供的复合电极材料的制备方法，在所述多孔金属层表面原位生长电化学活性物质，可以保留所述碳基薄膜较好的热导率和电导率。此外，本专利技术方法操作简单，整体实验成本较低，反应条件温和，易于大规模工业化生产。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例提供了一种复合电极材料，包括依次设置的碳基薄膜、多孔金属层和电化学活性物质层，其中，所述电化学活性物质层在所述多孔金属层表面原位生长形成。具体的，本专利技术实施例中，所述碳基薄膜作为基底，使得最终制备的电极保留了碳基材料的高热导率的特性，能够有效地将超电容在大电流充放电时产生的热量迅速传导到环境中。优选的，所述碳基薄膜为石墨薄膜、石墨烯薄膜中的至少一种。所述石墨薄膜、石墨烯薄膜具有优异的导热导电性能，因此，以此作为碳基薄膜，可以赋予所述复合电极材料高导热导电性能。进一步的，在所述表面形成多孔金属层，所述多孔金属层为一层含有孔洞结构的多孔金属。所述多孔金属层可以进一步增加电极的比表面积和电极的导电性，保证了良好的电化学反应特性。此外，与传统集流体相比，在所述表面形成多孔金属层，可以降低整个超电容电极的厚度和质量，有利于工艺条件的简化和生产成本的降低。优选的，所述多孔金属层中的金属材料为铜、镍、铁、铝、锌中的至少一种。优选的金属材料更有利于电极材料电化学反应特性的提高。进一步优选的，本专利技术实施例中，所述多孔金属层中，孔洞直径大小为5-10μm，使得所述多孔金属层具有更高的比表面积，从而能够容纳更多的电化学活性物质，从而增加电极复合材料的电化学活性。本专利技术实施例中，在所述多孔金属表面原位生长形成电化学活性物质层，所述电化学活性物质层由电化学活性物质制成。优选的，所述电化学活性物质为金属氧化物、金属氢氧化物、金属硫化物中的至少一种，所述金属氧化物、金属氢氧化物、金属硫化物中的金属优选为过渡金属。其中，所述金属氧化物包括单金属氧化物、双金属氧化物、多元金属氧化物；所述金属氢氧化物包括单金属氢氧化物、双金属氢氧化物、多元金属氢氧化物；所述金属硫化物包括单金属硫化物、双金属硫化物、多元金属硫化物。具体优选的，所述单金属氧化物包括Co3O4、MnO2、NiO、CuO；所述单金属氢氧化物包括Cu(OH)2、Co(OH)2、Ni(OH)2、NiMn-LDH；所述双金属氧化物包括NiMn2O4、MnCo2O4、CuCo2O4、NiMnO3、NiCo2O4；所述金属硫化物包括CoNi2S4、NiCo2S4。与传统的超电容制作方法相比，本专利技术实施例不需要将活性物质涂覆在集流体上，而是直接在多孔金属上直接生长了电化学活性物质，不仅提高了材料的利用率，同时降低了电极的内阻，提高了电极热导率。本专利技术实施例在采用高导热石墨烯或石墨和高导电金属复合的基础上，将电化学活性物质沉积在多孔金属表面。由此形成的整体电极，一方面，不需要集流体；另一方面，不采用聚合物粘合剂，从而有效实现电极的高导热导电性能。作为一个具体优选实施例，复合电极材料，包括依次设置的石墨烯薄膜、多孔镍层和NiMn-LDH(NiMnLayeredDoubleHydroxide,镍锰双金属氢氧化物)，其中，所述NiMn-LDH在所述多孔镍层表面原位生长形成。由此得到的复合电极材料保留了石墨烯材料较好的热导性，其热导率高达543.863Wm-1K-1，远高于利用传统的涂布法制备的对比电极的热导率(1.7632Wm-1K-1)；且石墨烯复合电极的电导率得到提高，达到37050.1S/M。可见，该双金属氢氧化物作为活性材料提供了良好的电化学活性。本专利技术实施例提供的复合电极材料，以所述碳基薄膜作为基底，依次沉积有多孔金属层和电化学活性物质层。所述复合电极材料作为一个整体电极，不仅不需要引入低热导率的聚合物粘合剂材料，而且不需要使用集流体，从而有效的解决了整个电极的易发热难散热的缺点，同时提高了材料的利用率和大大降低了电化学储能器件的总质量和厚度，提升了电化学储能器件的循环性能和使用寿命。本专利技术实施例提供的复合电极材料具有高导电导热的可以直接应用于超级电容器和锂离子电池的电极材料。本专利技术实施了提供的复合电极材料可以通过下述方法制备获得。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合电极材料，其特征在于，包括依次设置的碳基薄膜、多孔金属层和电化学活性物质层，其中，所述电化学活性物质层在所述多孔金属层表面原位生长形成。

【技术特征摘要】
1.一种复合电极材料，其特征在于，包括依次设置的碳基薄膜、多孔金属层和电化学活性物质层，其中，所述电化学活性物质层在所述多孔金属层表面原位生长形成。2.如权利要求1所述的复合电极材料，其特征在于，所述碳基薄膜为石墨薄膜、石墨烯薄膜中的至少一种；和/或所述多孔金属层中的金属材料为铜、镍、铁、铝、锌中的至少一种；和/或所述电化学活性物质层由电化学活性物质制成，所述电化学活性物质为金属氧化物、金属氢氧化物、金属硫化物中的至少一种，其中，所述金属氧化物包括单金属氧化物、双金属氧化物、多元金属氧化物；所述金属氢氧化物包括单金属氢氧化物、双金属氢氧化物、多元金属氢氧化物；所述金属硫化物包括单金属硫化物、双金属硫化物、多元金属硫化物。3.如权利要求1所述的复合电极材料，其特征在于，所述单金属氧化物包括Co3O4、MnO2、NiO、CuO；所述单金属氢氧化物包括Cu(OH)2、Co(OH)2、Ni(OH)2、NiMn-LDH；所述双金属氧化物包括NiMn2O4、MnCo2O4、CuCo2O4、NiMnO3、NiCo2O4；所述金属硫化物包括CoNi2S4、NiCo2S4。4.一种复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：提供碳基薄膜，采用电镀法在所述碳基薄膜一表面沉积多孔金属，制备多孔金属层；在所述多孔金属层表面原位生长电化学活性物质，制备电化学活性物质层。5.如权利要求4所述的复合电极材料的制备方法，其特征在于，制备多孔金属层的步骤中，所述采用电镀法在所述碳基薄膜一表面沉积多孔金属的方法为：在基础镀液中，以所述碳基薄膜为工作电极，以铂片电极为对电极，进行电镀处理，其中，所述基础镀液包括氯化铵和金属氯化盐；所述电镀处理的电流密度为1-3A/cm2，电镀时间为40-100s。6.如权利要求4或5所述的复合电极材料的制备方法，其特征在于，制备电化学活性物质层的步骤中，所述电化学活性物质为金属氢氧化物，在所述多孔金属层表面原位生长金属氢氧化物薄膜的方法为：配置含金属氯酸盐、氯化铵和氢氧化钠的混合溶液，置于水热釜中，将沉积有多孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙蓉，姜莉，符显珠，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44