电极材料及其制备方法和应用、超级电容器、二次电池技术

本发明专利技术涉及一种电极材料及其制备方法和应用、超级电容器、二次电池。该电极材料的制备方法包括：以碳纤维为工作电极，以第一金属盐和氯化铵的混合溶液为第一电镀液，进行电沉积，得到表面沉积有金属的电极；将表面沉积有金属的电极放入第二金属盐和尿素的混合溶液中，水热反应后，得到复合有金属氢氧化物的电极；对复合有金属氢氧化物的电极进行磷化处理，得到复合有磷化物的电极；以复合有磷化物的电极为工作电极，第三金属盐和硫化剂的混合溶液为第二电镀液，进行电沉积，得到电极材料。该方法工艺简单，电极材料负载的活性物质多，导电性好，将其作为超级电容器或二次电池的电极，可有效提高超级电容器或二次电池的电容量。

【技术实现步骤摘要】
电极材料及其制备方法和应用、超级电容器、二次电池
本专利技术涉及电池材料领域，具体而言，涉及一种电极材料及其制备方法和应用、超级电容器、二次电池。
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，这就迫切需要研发新型的高效绿色能源，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也有很多，主要有两大类：锂离子电池和超级电容器，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，有些还具有柔性，可制备成可穿戴器件。因此，电化学储能将持续成为绿色清洁能源研究的热点和重点，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取决于电极材料，目前，大多数电化学储能器件电极的制备方法如下：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(炭黑或乙炔炭黑等)和聚合物粘合剂(聚偏氟乙稀等)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。但是，由于使用了聚合物粘合剂，这种制备方法制作的电极的导电性和导热性都不理想。另外，聚合物的添加抑制了电极的柔性，对于柔性器件的稳定性和循环性能都是十分不利的。针对以上问题，目前部分改进措施是采用碳布作为基底，直接在其上负载活性物质作为超电容电极，但其负载的活性物质少，导电性较差。此外，还有些改进措施采用石墨烯薄膜作为基底，但制备工艺复杂。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种电极材料，该材料导电性能好、活性物质含量高、电容量高。本专利技术的第二目的在于提供一种电极材料的制备方法，该方法工艺科学、简单，所得电极材料所负载的活性物质多，电极材料的导电性更好，将其作为超级电容器或二次电池的电极，可以有效提高超级电容器或二次电池的电容量。本专利技术的第三目的在于提供一种上述电极材料的应用。本专利技术的第四目的在于提供一种超级电容器或二次电池。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种电极材料，包括：碳纤维，沉积于碳纤维表面的金属纳米颗粒，生长于金属纳米颗粒表面的金属磷化物纳米刺，以及沉积于金属磷化物纳米刺表面的金属硫化物纳米片，金属纳米颗粒沉积于碳纤维表面形成多孔结构。第二方面，本专利技术提供了一种上述电极材料的制备方法，包括：(a)以碳纤维为工作电极，以第一金属盐和氯化铵的混合溶液为第一电镀液，进行电沉积，得到表面沉积有金属的电极；(b)将表面沉积有金属的电极放入第二金属盐和尿素的混合溶液中，水热反应后，得到复合有金属氢氧化物的电极；(c)对复合有金属氢氧化物的电极进行磷化处理，得到复合有磷化物的电极；(d)以复合有磷化物的电极为工作电极，第三金属盐和硫化剂的混合溶液为第二电镀液，进行电沉积，得到所述电极材料。作为进一步优选的技术方案，第一金属盐、第二金属盐和第三金属盐各自独立的包括氯化盐、硫酸盐、醋酸盐或硝酸盐中的至少一种；优选地，第一金属盐、第二金属盐或第三金属盐中的金属离子包括重金属离子；优选地，第一金属盐、第二金属盐和第三金属盐中的金属离子各自独立的包括镍离子、铜离子、钴离子或铁离子中的至少一种。作为进一步优选的技术方案，步骤(a)中，第一金属盐的浓度为0.1-1mol/L；优选地，步骤(a)中，氯化铵的浓度为2-4mol/L；优选地，步骤(a)中，电沉积时的电流密度为1-3A/cm2，和/或，沉积时间为30-120s；优选地，步骤(a)中，电沉积时所用对电极包括铂电极。作为进一步优选的技术方案，步骤(b)中，第二金属盐的浓度为1-10mmol/L；优选地，步骤(b)中，尿素的浓度为10-30mmol/L；优选地，步骤(b)中，水热反应的温度为100-180℃，和/或，反应时间为3-12h。作为进一步优选的技术方案，步骤(c)中，磷化处理所用磷化剂包括含磷的金属盐，优选为次磷酸钠；优选地，以电极材料的面积为基准，次磷酸钠的质量为0.5-1g/cm2；优选地，步骤(c)中，磷化处理温度为200-400℃，磷化处理时间为1-3h。作为进一步优选的技术方案，第三金属盐的浓度为1-10mmol/L；优选地，硫化剂包括硫脲；优选地，硫脲的浓度为0.05-0.1mol/L。作为进一步优选的技术方案，步骤(d)中，电沉积时所用对电极包括铂电极，和/或，参比电极包括银/氯化银电极；优选地，步骤(d)中，电沉积采用循环伏安法；优选地，步骤(d)中，电沉积的条件包括以下条件中的至少一种：扫描速度为1-10mV/s，扫描电压为-1.2～0.2V，或扫描圈数为5-30圈。第三方面，本专利技术提供了一种上述电极材料或上述制备方法得到的电极材料在制备超级电容器中的应用；或，上述电极材料或上述制备方法得到的电极材料在制备二次电池中的应用。第四方面，本专利技术提供了一种超级电容器，包括上述电极材料或上述制备方法得到的电极材料；或，二次电池，包括上述电极材料或上述制备方法得到的电极材料。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的电极材料的碳纤维表面沉积有金属纳米颗粒，可有效提高电极材料的导电性，金属纳米颗粒在碳纤维表面形成多孔结构，由于其自身比表面积大，因而可负载大量的活性物质(如金属磷化物纳米刺和金属硫化物纳米片)，因此该材料导电性能好、活性物质含量高、电容量高。本专利技术提供的电极材料的制备方法首先对碳纤维进行电沉积，使第一电镀液中的金属离子转化为金属纳米颗粒并形成多孔互联结构沉积在碳纤维表面，一方面可增加碳纤维的导电性，另一方面也可增大比表面积，以便负载更多活性物质，由于金属盐的浓度不能太高，但如果仅含有金属盐，其导电性会下降，而氯化铵可增加第一电镀液的导电性，保证电沉积的顺利进行；然后将表面沉积有金属的电极放入第二金属盐和尿素的混合溶液中，进行水热反应，水热反应过程中，第二金属盐首先与尿素络合，然后再形成金属氢氧化物沉积到电极表面，该金属氢氧化物为纳米刺状，有利于后续在其上生长二级结构的纳米片；再对复合有金属氢氧化物的电极进行磷化处理，使金属氢氧化物转化为金属磷化物，金属磷化物的导电性较高，并且也可作为活性物质；最后对复合有磷化物的电极进行电沉积，使第二电镀液中的第三金属盐和硫化剂转化为金属硫化物，该金属硫化物形成纳米片状结构并沉积在电极表面，形成所需电极材料。以上制备方法工艺简单，所得电极材料所负载的活性物质(即金属磷化物和金属硫化物)多，因而电极材料的导电性更好，将其作为超级电容器或二次电池(例如锂硫电池)的电极，可以有效提高超级电容器或二次电池的电容量。附图说明图1为实施例1所用碳纤维的SEM图；图2为实施例1步骤(a)所得表面沉积有金属纳米颗粒的电极的SEM图；图3为实施例1步骤(c)所得复合有金属磷化物纳米刺的电极的S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电极材料，其特征在于，包括：碳纤维，沉积于碳纤维表面的金属纳米颗粒，生长于金属纳米颗粒表面的金属磷化物纳米刺，以及沉积于金属磷化物纳米刺表面的金属硫化物纳米片，金属纳米颗粒沉积于碳纤维表面形成多孔结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种电极材料，其特征在于，包括：碳纤维，沉积于碳纤维表面的金属纳米颗粒，生长于金属纳米颗粒表面的金属磷化物纳米刺，以及沉积于金属磷化物纳米刺表面的金属硫化物纳米片，金属纳米颗粒沉积于碳纤维表面形成多孔结构。


2.权利要求1所述的电极材料的制备方法，其特征在于，包括：
(a)以碳纤维为工作电极，以第一金属盐和氯化铵的混合溶液为第一电镀液，进行电沉积，得到表面沉积有金属的电极；
(b)将表面沉积有金属的电极放入第二金属盐和尿素的混合溶液中，水热反应后，得到复合有金属氢氧化物的电极；
(c)对复合有金属氢氧化物的电极进行磷化处理，得到复合有磷化物的电极；
(d)以复合有磷化物的电极为工作电极，第三金属盐和硫化剂的混合溶液为第二电镀液，进行电沉积，得到所述电极材料。


3.根据权利要求2所述的电极材料的制备方法，其特征在于，第一金属盐、第二金属盐和第三金属盐各自独立的包括氯化盐、硫酸盐、醋酸盐或硝酸盐中的至少一种；
优选地，第一金属盐、第二金属盐或第三金属盐中的金属离子包括重金属离子；
优选地，第一金属盐、第二金属盐和第三金属盐中的金属离子各自独立的包括镍离子、铜离子、钴离子或铁离子中的至少一种。


4.根据权利要求2所述的电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，第一金属盐的浓度为0.1-1mol/L；
优选地，步骤(a)中，氯化铵的浓度为2-4mol/L；
优选地，步骤(a)中，电沉积时的电流密度为1-3A/cm2，和/或，沉积时间为30-120s；
优选地，步骤(a)中，电沉积时所用对电极包括铂电极。


5.根据权利要求2所述的电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(b)中，第二金属盐的...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪亚强，盛家利，郭亮，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东;44