本发明专利技术公开一种用于超级电容器的复合材料及其制备方法。本复合材料采用化学镀镍方法，在碳纳米管表面沉积金属镍；将金属镍盐、金属钴盐和硫源溶解到乙二醇和水的水混合液中，然后将镀镍碳纳米管加入，得到所述复合材料。本发明专利技术通过在碳纳米管和镍钴硫化物之间引入金属镍为界面层，解决碳纳米管在镍钴硫化物中的团聚现象；金属镍作为镍钴硫化成核生长的锚点，有助于实现镍钴硫化物完全包覆碳纳米管；金属镍与硫离子形成配位，提高两种材料的界面结合强度；碳纳米管均匀分散及其与镍钴硫化物形成强界面结合，有效发挥碳纳米管高导电特性，充分实现碳纳米管和镍钴金属硫化物在电化学过程中的协同作用，从而提高复合材料的比电容和循环稳定性。
A composite material for super capacitor and its preparation method
【技术实现步骤摘要】
一种用于超级电容器的复合材料及其制备方法
本专利技术属于电化学储能材料领域，具体地说是一种用于超级电容器的复合材料及其制备方法。
技术介绍
超级电容器是介于传统电容器和电池之间的一种新型储能器件，具有功率密度高、充电速度快、循环寿命长和环境适应性好等优点，在混合动力汽车、大功率工程机械、移动电子设备和新能源存储转换等领域应用前景广阔。根据储能机理不同，超级电容器可以分为双电层电容器和法拉第赝电容器。碳纳米材料，如碳纳米管、石墨烯等，具有超大的比表面积、高电导率和优异的化学稳定性，是一类理想的双电层电容器电极材料。过渡金属硫化物，如NiS、CoS2和NiCo2S4等，具有高的理论比容量和低成本，被广泛用于赝电容器电极材料。然而，硫化物电极材料电导率低，结构稳定性差，和双电层电容器相比，赝电容器虽然具有更高的能量密度，但是功率密度较低，循环稳定性较差，这极大限制了其实际应用。目前，将金属硫化物和碳纳米材料有效复合，利用它们各自的结构特点和性能优势，发挥杂化材料不同组分间的协同作用，是构筑高性能超级电容器的一条重要途径。例如，Wenetal.(J.PowerSources,2016,320:28-36)和卢德力等人(CN108878167A)分别将碳纳米管和石墨烯与镍钴双金属硫化物复合，制备高能量密度和功率密度的超级电容器电极材料。但是在实际应用中，由于巨大的比表面积和范德瓦尔斯作用，碳纳米管和石墨烯在复合材料中分散性较差，且其与金属硫化物界面难以形成有效的界面结合，导致复合材料结构均匀性差，存在两相分离或团聚现象，这使得碳纳米材料难以充分发挥其协同作用，从而影响复合材料的电化学储能性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种用于超级电容器的复合材料，所述的复合材料为碳纳米管/镍/镍钴硫化物，从复合材料界面工程设计出发，在碳纳米材料和镍钴硫化物两相之间引入金属界面层，以解决碳纳米材料在镍钴硫化物中分散性差，容易团聚，以及界面结合弱等难题；本专利技术的另一个目的在于提出一种用于超级电容器的复合材料的制备方法。为了实现上述目的，本专利技术所述一种用于超级电容器的复合材料，所述复合材料主要组成包括镍钴硫化物、碳纳米管以及界面金属镍层，所述镍钴硫化物的化学式为NixCo3-xS4，x＝0-3，所述碳纳米管以及界面金属镍层构成镀镍碳纳米管；其中，各组分质量份数为：NixCo3-xS480-95份、镀镍碳纳米管5-20份；所述复合材料中，碳纳米管为单壁或多壁结构。所述镍钴硫化物颗粒尺寸为2-100nm。所述界面金属镍层的厚度为2-30nm，所述界面金属镍层中的镍是作为碳纳米管和镍钴硫化物的界面，起到连接碳纳米管和镍钴硫化物的作用。所述一种用于超级电容器复合材料的制备方法，实现步骤如下：本方法采用化学镀镍方法，在碳纳米管表面沉积金属镍；将金属镍盐、金属钴盐和硫源溶解到水溶液中，然后将镀镍碳纳米管加入其中反应，金属镍作为镍钴硫化成核生长的锚点，冷却至室温，收集、清洗和干燥反应产物，得到用于超级电容器复合材料。所述一种用于超级电容器复合材料的制备方法，实现步骤如下：步骤一：1)将30-120mg碳纳米管加入到15-30mL浓酸溶液中，所述浓酸溶液为浓硝酸和浓硫酸体积比为3:1-2:1的酸混合液，在60-80℃条件下搅拌1-5h，搅拌速度为200-2000r/min,得到酸化碳纳米管；2)将酸化的碳纳米管加入到50-120mL敏化溶液中进行敏化处理，所述敏化溶液由18-20g/LSnCl2和8-10g/LHCl混合组成，室温下敏化处理20-60min；3)将敏化的碳纳米管加入到10-50mL活化溶液中进行活化处理，所述活化溶液由1-1.5g/LPbCl2和2-3g/LHCl混合组成，室温下活化处理20-60min；4)将活化的碳纳米管置于100-250mL镀镍盐溶液中，在60-90℃条件下，反应8-24h，得到镀镍碳纳米管；步骤二：将0-6mmol金属镍盐、0-6mmol金属钴盐和18-25mmol硫源溶解在30-80mL乙二醇和水的水混合液中得到镍钴硫溶液，所述水混合液中水占水混合液总体积量的3/8-1，所述镍钴硫溶液中加入镀镍碳纳米管，混合均匀，加入碱液调节pH为8-11；将上述加入镀镍碳纳米管的镍钴硫溶液转移到反应釜中，在120-220℃条件下反应8-24h；冷却至室温，收集、清洗和干燥反应产物，得到碳纳米管/镍/镍钴硫化物复合材料。所述镀镍盐溶液由如下成分组成：20-40g/L硫酸镍、18-20g/L次亚磷酸钠、15-30g/L柠檬酸钠、60-80g/L氯化铵、2-10mg/L十二烷基硫酸钠、氨水调节pH为8-10。所述金属镍盐为硝酸镍、硫酸镍、氯化镍和醋酸镍中的一种；所述金属钴盐为硝酸钴、硫酸钴、氯化钴和醋酸钴中的一种；所述硫源为硫脲、硫化钠、硫代乙酰胺、硫代硫酸钠和硫化铵中的一种。所述金属镍盐和金属钴盐总摩尔浓度为0.04-0.1mol/L。所述硫源的摩尔浓度为0.1-0.3mol/L。本专利技术所述一种用于超级电容器的复合材料及其制备方法，其有益效果在于：(1)在碳纳米管表面镀镍，解决了碳纳米管难以分散的难题，极大改善了碳纳米管在镍钴硫化物基体中的团聚现象；(2)碳纳米管表面包覆金属镍，提高了碳纳米管润湿性和反应活性，镍能够作为镍钴硫化成核生长的锚点，有助于实现镍钴硫化物完全包覆碳纳米管；(3)金属镍作为碳纳米管和镍钴硫化物的界面层，通过与硫离子形成配位，可以有效提高两种材料的界面结合强度；(4)碳纳米管均匀分散及其与镍钴硫化物形成强界面结合，将充分发挥碳纳米管高导电特性，增强复合材料的导电性能和结构稳定性，从而提高超级电容器的比电容和循环稳定性；(5)本专利技术制备的CNTs/Ni/NiCo2S4复合材料与原始碳纳米管和经过酸化碳纳米管制备的NiCo2S4基复合材料相比，本专利技术制备的CNTs/Ni/NiCo2S4复合材料储能性能最好，在1A/g电流密度下，比电容高达223mAh/g。附图说明图1为实施例1中制备的CNTs/Ni/NiCo2S4复合材料的SEM照片；图2为实施例1中制备的CNTs/Ni/NiCo2S4复合材料的TEM照片；图3为对比例2中制备的CNTs/NiCo2S4复合材料的SEM照片；图4为对比例2中制备的CNTs/NiCo2S4复合材料的TEM照片；图5为实施例1中制备的CNTs/Ni/NiCo2S4复合材料和对比例1、对比例2以及对比例3中制备的NiCo2S4、CNTs/NiCo2S4和CNTs-H/NiCo2S4复合材料的循环伏安曲线对比图；图6为实施例1中制备的CNTs/Ni/NiCo2S4复合材料和对比例1、对比例2以及对比例3中制备的NiCo2S4、CNTs/NiCo2S4和CNTs-H/NiCo2S4复合材料的比电容对比图。具体实施方式下面结合具体实本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于超级电容器的复合材料，其特征在于：所述复合材料主要组成包括镍钴硫化物、碳纳米管以及界面金属镍层，所述镍钴硫化物的化学式为Ni
【技术特征摘要】
1.一种用于超级电容器的复合材料，其特征在于：所述复合材料主要组成包括镍钴硫化物、碳纳米管以及界面金属镍层，所述镍钴硫化物的化学式为NixCo3-xS4，x＝0-3，所述碳纳米管以及界面金属镍层构成镀镍碳纳米管；
其中，各组分质量份数为：NixCo3-xS480-95份、镀镍碳纳米管5-20份；所述复合材料中，碳纳米管为单壁或多壁结构。
2.如权利要求1所述一种用于超级电容器的复合材料，其特征在于：所述镍钴硫化物颗粒尺寸为2-100nm。
3.如权利要求1所述一种用于超级电容器的复合材料，其特征在于：所述界面金属镍层的厚度为2-30nm，所述界面金属镍层中的镍是作为碳纳米管和镍钴硫化物的界面，起到连接碳纳米管和镍钴硫化物的作用。
4.如权利要求1所述一种用于超级电容器复合材料的制备方法，其特征在于：实现步骤如下：本方法采用化学镀镍方法，在碳纳米管表面沉积金属镍；将金属镍盐、金属钴盐和硫源溶解到水溶液中，然后将镀镍碳纳米管加入其中反应，金属镍作为镍钴硫化成核生长的锚点，冷却至室温，收集、清洗和干燥反应产物，得到用于超级电容器复合材料。
5.如权利要求4所述一种用于超级电容器复合材料的制备方法，其特征在于：实现步骤如下：
步骤一：
1)将30-120mg碳纳米管加入到15-30mL浓酸溶液中，所述浓酸溶液为浓硝酸和浓硫酸体积比为3:1-2:1的酸混合液，在60-80℃条件下搅拌1-5h，搅拌速度为200-2000r/min,得到酸化碳纳米管；
2)将酸化的碳纳米管加入到50-120m...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜金龙，郑璇，朱维君，毕田甜，靳方舟，魏智强，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。