三维镍纳米管阵列及其制备方法、锂离子电池及应用技术

本发明专利技术提供了三维镍纳米管阵列及其制备方法、锂离子电池及应用。所述三维镍纳米管阵列具有多层结构；所述多层结构包括中心的镍纳米管和位于所述镍纳米管管壁内外表面的铁氧化物‑碳复合层。该三维镍纳米管阵列制成的复合电极能同时增强电极系统的电子和电解液离子的传输；其中的表面碳层作为隔离层，在空间上限制铁纳米颗粒的团聚，确保即使在强磁场环境下，原子/粒子也能在其原始位置迅速地进行锂化‑脱锂化。这两个特别的结构使锂离子电池在强磁场环境中(磁感应强度为2特斯拉以上)保证高比容量的同时，还获得了优越的倍率性能和循环稳定性。

Three dimensional nickel nanotube array and its preparation, lithium ion battery and Application

【技术实现步骤摘要】
三维镍纳米管阵列及其制备方法、锂离子电池及应用
本专利技术涉及三维镍纳米管阵列及其制备方法，以及包括该三维镍纳米管阵列的锂离子电池及其应用。
技术介绍
目前，各式各样电子设备的快速发展对与之所配套的能量存储设备在能量密度、功率密度、倍率性能以及循环稳定性等方面提出了更高的要求。锂离子电池凭借其高能量密度的优势被认为是一种很有前途的储能设备。作为锂离子电池常用的负极材料，采用转换型储能机理的过渡金属氧化物MxOy(M＝Fe,Co,Ni等)在放电(插锂)过程中被还原成相应的金属纳米颗粒(Fe,Co,Ni等)镶嵌在Li2O矩阵中，而这些金属纳米颗粒大多具有磁性，若锂离子电池工作于强磁场环境中，这些纳米颗粒会发生严重的团聚，大大减少了金属纳米颗粒与Li2O的接触面积，进而降低了电池的可逆比容量，并使锂离子电池的倍率和循环性能恶化。另外，过渡金属氧化物固有较差的电子和离子传输性能也限制了其实际容量，使其难以达到其理论值。再者，使用传统涂布法制备的平面电极由于引入了不导电的聚合物粘结剂，大大降低了电池系统的功率和循环性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种三维镍纳米管阵列，通过在镍纳米管阵列的内外表面的铁氧化物-碳复合层，使得纳米管阵列能增强电极系统的电子和电解液离子的传输，从而提高锂离子电池在强磁场环境(磁感应强度为2特斯拉以上)中的电化学性能，即同时具有高比容量、倍率性能和循环稳定性。根据本专利技术的一个方面，提供一种三维镍纳米管阵列，其具有多层结构；所述多层结构包括中心的镍纳米管和位于所述镍纳米管管壁内外表面的铁氧化物-碳复合层。优选地，所述三维镍纳米管阵列的长度为600～1000nm，直径为200～400nm，厚度为230～260nm。优选地，所述多层结构为碳-铁氧化物-镍纳米管-铁氧化物-碳的多层结构。根据本专利技术的另一方面，提供一种三维镍纳米管阵列的制备方法，包括以下步骤：步骤一、在镍箔上第一电化学沉积NixCu100-x合金膜，其中x＝30～80；步骤二、对所述NixCu100-x合金膜进行去合金化，得到表面具有氧化膜的镍膜；步骤三、将所述镍膜在酸性水溶液中浸泡，以去除所述镍膜表面的氧化膜；步骤四、将经过步骤三处理的镍膜在30～80℃下加热5～10小时，得到镍纳米管阵列；步骤五、将所述镍纳米管阵列浸泡在铁盐溶液中，以在所述镍纳米管管壁内外表面第二电化学沉积氧化铁纳米颗粒；步骤六、将表面具有铁氧化物纳米颗粒的镍纳米管阵列浸泡在苯胺溶液中，以在步骤五处理过的镍纳米管阵列表面第三电化学沉积聚苯胺包覆层；步骤七、将经过步骤六处理过的镍纳米管阵列在500～800℃下加热5～10小时，得到碳-铁氧化物-镍纳米管阵列-铁氧化物-碳纳米管阵列。优选地，所述苯胺溶液包括0.1～1MH2SO4和20～50mM苯胺。优选地，所述铁盐溶液包括1～5mMFe2(SO4)3·5H2O，10～20mM三乙醇胺和100～500mMNaOH。优选地，所述第三电化学沉积的沉积电压为相对于参比电极银/氯化银电极为0.1～1V，沉积时间为5～20min。优选地，还包括在第三电化学沉积之后用去离子水清洗沉积过的镍纳米管阵列，并30～80℃真空干燥5～10h。根据本专利技术的又一方面，提供一种锂离子电池，包括上述三维镍纳米管阵列制成的复合电极。根据本专利技术的再一方面，提供上述锂离子电池在磁感应强度为2特斯拉以上的强磁场环境中的应用。具体地，根据本专利技术的三维镍纳米管阵列具有特有的中空纳米管阵列结构，同时管壁内外表面具有氧化铁层和碳层，能同时增强电极系统的电子和电解液离子的传输能力，同时由于管壁内外表层中碳层作为隔离层，在空间上限制铁纳米颗粒的团聚，从而确保包括该三维镍纳米管阵列制得的电极的锂电池不仅在普通环境下，同时在强磁场工作环境下都能获得高比容量，良好的倍率性能和循环稳定性。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1为根据本专利技术具体实施方式的Ni/Fe3O4@C三维镍纳米管阵列的制作过程示意图；图2示出了根据本专利技术的Ni/Fe3O4@C纳米管阵列的扫描电镜(SEM)图片，其中：图2a示出了根据本专利技术的镍纳米管阵列的俯视扫描电镜图片，图2b示出了根据本专利技术的Ni/Fe3O4纳米管阵列的俯视扫描电镜图片，图2c示出了Ni/Fe3O4@PANI纳米管阵列的俯视扫描电镜图片，图2d示出了Ni/Fe3O4@C纳米管阵列的俯视扫描电镜图片；图3示出了上述Ni/Fe3O4和Ni/Fe3O4@C纳米管阵列的XRD图；图4示出了上述Ni/Fe3O4，Ni/Fe3O4@PANI和Ni/Fe3O4@C纳米管阵列的拉曼光谱图；图5为根据本专利技术的锂离子电池的首三圈循环伏安特性曲线，该锂离子电池包括由上述Ni/Fe3O4@C纳米管阵列制成的电极，其中磁感应强度为2特斯拉；图6为在0.1C的电流强度、2特斯拉的磁感应强度下，包括由上述Ni/Fe3O4@C纳米管阵列制成电极的锂离子电池的首三圈恒电流充放电曲线；图7为在0.1C～8C的电流强度范围内，2特斯拉的磁感应强度下，包括上述Ni/Fe3O4@C纳米管阵列制成电极的锂离子电池的对应的充放电比容量；图8为在1C的电流强度、2特斯拉的磁感应强度下，分别包括由Ni/Fe3O4纳米管阵列和Ni/Fe3O4@C纳米管阵列制成电极的锂离子电池的循环稳定性曲线。具体实施方式根据本专利技术提供一种三维镍纳米管阵列，其具有包括中心的镍纳米管和位于该镍纳米管管壁内外表面的铁氧化物-碳复合层的多层结构。具体地，上述多层结构为碳-铁氧化物-镍纳米管-铁氧化物-碳的多层结构。上述具有多层结构的三维镍纳米管阵列的制备方法，通过三次电化学沉积和退火步骤在镍箔上制得镍纳米管阵列和表面具有铁氧化物-碳复合层的三维镍纳米管阵列结构。具体地，参见图1，根据本专利技术一个实施方式的三维镍纳米管阵列的制备方法，包括以下步骤：步骤一、在镍箔上第一电化学沉积NixCu100-x合金膜，其中x＝30～80；步骤二、对所述NixCu100-x合金膜进行去合金化，得到表面具有氧化膜的镍膜；步骤三、将所述镍膜在酸性水溶液中浸泡，以去除所述镍膜表面的氧化膜；步骤四、将经过步骤三处理的镍膜在30～80℃下加热5～10小时，得到镍纳米管阵列；步骤五、将所述镍纳米管阵列浸泡在铁盐溶液中，以在所述镍纳米管管壁内外表面第二电化学沉积氧化铁纳米颗粒；步骤六、将表面具有铁氧化物纳米颗粒的镍纳米管阵列浸泡在苯胺溶液中，以在步骤五处理过的镍纳米管阵列表面第三电化学沉积聚苯胺包覆层；步骤七、将经过步骤六处理过的镍纳米管阵列在500～800℃下加热5～10小时，得到碳-铁氧化物-镍纳米管阵列-铁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维镍纳米管阵列，其特征在于，具有多层结构；所述多层结构包括中心的镍纳米管和位于所述镍纳米管管壁内外表面的铁氧化物-碳复合层。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维镍纳米管阵列，其特征在于，具有多层结构；所述多层结构包括中心的镍纳米管和位于所述镍纳米管管壁内外表面的铁氧化物-碳复合层。


2.根据权利要求1所述的三维镍纳米管阵列，所述三维镍纳米管阵列的长度为600～1000nm，直径为200～400nm，厚度为230～260nm。


3.根据权利要求1所述的三维镍纳米管阵列，所述多层结构为碳-铁氧化物-镍纳米管-铁氧化物-碳的多层结构。


4.一种三维镍纳米管阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在镍箔上第一电化学沉积NixCu100-x合金膜，其中x＝30～80；
步骤二、对所述NixCu100-x合金膜进行去合金化，得到表面具有氧化膜的镍膜；
步骤三、将所述镍膜在酸性水溶液中浸泡，以去除所述镍膜表面的氧化膜；
步骤四、将经过步骤三处理的镍膜在30～80℃下加热5～10小时，得到镍纳米管阵列；
步骤五、将所述镍纳米管阵列浸泡在铁盐溶液中，以在所述镍纳米管管壁内外表面第二电化学沉积氧化铁纳米颗粒；
步骤六、将表面具有铁氧化物纳米颗粒的镍纳米管阵列浸泡在苯胺溶液中，以在步骤五处理过的镍纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖姗姗，李英奇，肖力光，盖广清，王立艳，赵丽，毕菲，
申请(专利权)人：吉林建筑大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22