基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法及其产品和应用技术

本发明专利技术涉及储能材料技术领域，特别涉及一种基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法，包括如下步骤：(1)碳纳米纤维的活化处理；(2)二氧化锰/金属氢氧化物的共同沉积：将步骤(1)得到的碳纳米纤维浸入含尿素、金属硝酸盐、高锰酸钾的水溶液中，在室温下吸附，加热，反应至溶液紫红色褪去，取出样品，用蒸馏水洗涤，干燥后得到碳/二氧化锰/金属氢氧化物复合纳米纤维。本发明专利技术还提供一种基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法制得的电极材料和应用。本发明专利技术这种独特的化学组成和分层结构的结合，使所制备的复合纳米纤维电极表现出较高的比电容和优异的倍率性能，且制备方法简单易行，绿色环保，成本低廉，具有普适性，便于推广。便于推广。便于推广。

【技术实现步骤摘要】
基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法及其产品和应用


[0001]本专利技术涉及储能材料
，特别涉及一种基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法及其产品和应用。

技术介绍

[0002]随着人类文明的进步和社会的发展，能源问题已成为能否保证社会持续快速发展的关键。面临着日益严峻的环境问题以及全球逐渐减少的不可再生能源，在强大的社会需求下，新能源的开发和应用刻不容缓。超级电容器作为一种新型的储能器件，由于其具有功率密度大、循环寿命长等优点受到了广泛的关注和研究。近年来，超级电容器作为一种新型的能量存储器件已经成功的应用在运输工具无线通讯设备、电网、消费电子产业等领域。
[0003]超级电容器按照电极材料的属性可以分为碳材料、金属氧化物、导电聚合物等类型。目前，应用比较广泛的是碳材料超级电容器，性能可靠，价格低廉，但是由于其理论电容较低，在应用方面受限。层状结构的金属氢氧化物(氢氧化镍、氢氧化钴、镍
‑
钴双金属氢氧化物)具有理论比容量大、成本低、环境友好等优点，是一种极具应用前景的超级电容器电极材料。然而，金属氢氧化物的导电性较差，这导致电极的倍率性能和循环稳定性均不理想。通常，金属氢氧化物与碳材料复合，可以结合各组分的独特优势，改善电子的传导性，进而显著提升电极的电化学性能。常用的碳材料包括石墨烯、碳纳米管、活性碳、碳纳米纤维等，其中，碳纳米纤维长径比大、孔结构可调、制备简单，不仅可以作为电活性物质参与储能过程，还能起到稳定支撑的作用。
[0004]由于金属氢氧化物与碳基质之间固有的不兼容性和较弱的结合作用，在充放电循环过程中，电活性组分往往会脱落，致使电极的有效质量减小，比容量下降。针对这一问题，多种增加碳表面亲和性的方法已经被成功开发出来，例如，利用物理/化学活化、元素掺杂、等离子体刻蚀等方法，在碳纳米纤维表面引入含氧官能团、非金属杂原子、结构缺陷等。这些策略在一定程度上改善了无机组分与碳基质之间的界面结合力，同时，也存在活性物质负载量低、利用率不高的缺点。此外，在金属氢氧化物与碳基质之间构建“纳米胶”层，也可以增加两相间的联系，被认为是改善界面问题的一种有效方法。然而，现有的报道大多采用多步制备方法，操作复杂，且能耗高，因此，如何通过简单的一步法在碳纳米纤维表面同时沉积“纳米胶”层和电活性金属氢氧化物，这是极具挑战性和实际意义的技术难题。
[0005]专利CN 110335765 B，公开了一种复合电极材料及其制备方法和超级电容器。其提供的电极材料以泡沫金属作为基体，在其表面生长纳米多孔金属薄膜，然后在纳米多孔金属泡沫金属骨架上沉积纳米级的过渡金属氧化物或过渡金属氢氧化物。测试结果表明，基于该复合材料的超级电容器电极具有极高的比电容和优良的倍率性能。其所涉及的超级电容器复合电极材料具有制备过程简单、工艺参数易于调控等特点。基于该复合电极材料的超级电容器有望应用于下一代可穿戴电子器件与功率型储能设备中。
[0006]专利CN 108010726 A，公开了一种超级电容器用核壳多孔电极材料及其制备方
法。其方法包括以下步骤:(1)将电极活性材料和有机炭源溶液混合，得到粘度为500cP
‑
2500cP的浆料；(2)对浆料造粒并干燥，得到电极材料前驱体；(3)将电极材料前驱体移到回转炉中，在惰性气体保护下进行炭化，得到电极材料。该专利的电极材料为核壳结构，内核为电极活性材料的聚集体，外壳为多孔的炭化产物,内核和外壳之间形成稳定的结构，采用所述电极材料制备成电极并组装成的22x45焊针式超级电容器单体老化后容量不低于115F，内阻小于12.2Ω，且经过65℃负荷1500h后容量衰减率小于30％，内阻增加率也低于88.5％。
[0007]专利CN 110335765 B，其公开了一种石墨烯量子点增强金属氧化物超级电容器电极材料的方法，它涉及增强金属氧化物超级电容器电极材料的方法。其解决现有超级电容器中金属氧化物较低的电导率以及较低的比表面积，导致性能恶化的问题。制备方法：首先清洗集流体材料，然后在集流体材料表面沉积氧化镍、四氧化三钴或三氧化钼，得到金属氧化物集流体材料，最后将金属氧化物集流体材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中进行射频。
[0008]上述专利技术均为提高超级电容器的比电容和倍率性能提供了技术支撑，大大推动了电极材料探索与研究的技术发展。虽然上述专利整体均能够提高电极材料的导电率，但仍然存在一些缺陷，首先，采用多步制备方法，操作复杂，且能耗高。其次，活性物质负载量低、利用率不高。因此，提出一种简单易行，绿色环保，成本低廉，具有普适性，便于推广，同时能够活性物质负载量高、利用率高，电极材料的比电容和倍率性能高的复合纳米纤维电极材料制备方法很有必要。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的不足，本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种简单易行，绿色环保，成本低廉，具有普适性，便于推广，同时活性物质负载量高、利用率高，电极材料的比电容和倍率性能高的基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法及其产品和应用。
[0010]本专利技术为实现上述目的采用的技术方案是：一种基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法，包括如下步骤：
[0011](1)碳纳米纤维的活化处理：将由静电纺丝、高温碳化得到的碳纳米纤维膜浸入浓硝酸中，在室温条件下，静置4
‑
8h，活化后的膜用蒸馏水洗涤5
‑
8次，再在50
‑
60℃的普通烘箱中干燥12
‑
16h，得到表面活化的碳纳米纤维；
[0012](2)二氧化锰/金属氢氧化物的共同沉积：将步骤(1)得到的碳纳米纤维浸入含尿素、金属硝酸盐、高锰酸钾的水溶液中，在室温下吸附，加热，反应至溶液紫红色褪去(2
‑
5h)，取出样品，用蒸馏水洗涤，干燥后得到碳/二氧化锰/金属氢氧化物复合纳米纤维。
[0013]上述的基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法，在步骤(2)中，所述碳纳米纤维的添加量为5
‑
15mg，所述水溶液的加入量为15
‑
25mL，所述吸附时间为6
‑
15h，加热温度为75
‑
100℃，蒸馏水洗涤的次数为5
‑
8次。
[0014]上述的基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法，所述水溶液中含尿素2
‑
4g、金属硝酸盐0.5
‑
0.9g、高锰酸钾1
‑
20mg。
[0015]上述的基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法，在步骤(1)中，所述碳纳米纤维的制备方法如下，将聚合物加入到N,N
‑
二甲基甲酰胺中，在30
‑
80℃下搅拌至完全溶
解，冷却至室温，进行静电纺丝，然后将得到的聚合物纤维膜预氧化、碳化后制备而成。
[0016]上述的基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法，所述聚合物的前驱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)碳纳米纤维的活化处理：将由静电纺丝、高温碳化得到的碳纳米纤维膜浸入浓硝酸中，在室温条件下，静置4
‑
8h，活化后的膜用蒸馏水洗涤5
‑
8次，再在50
‑
60℃的普通烘箱中干燥12
‑
16h，得到表面活化的碳纳米纤维；(2)二氧化锰/金属氢氧化物的共同沉积：将步骤(1)得到的碳纳米纤维浸入含尿素、金属硝酸盐、高锰酸钾的水溶液中，在室温下吸附，加热，反应至溶液紫红色褪去，取出样品，用蒸馏水洗涤，干燥后得到碳/二氧化锰/金属氢氧化物复合纳米纤维。2.根据权利要求1所述的基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法，其特征是：在步骤(2)中，所述碳纳米纤维的添加量为5
‑
15mg，所述水溶液的加入量为15
‑
25mL，所述吸附时间为6
‑
15h，加热温度为75
‑
100℃，蒸馏水洗涤的次数为5
‑
8次。3.根据权利要求2所述的基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法，其特征是：所述水溶液中含尿素2
‑
4g、金属硝酸盐0.5
‑
0.9g、高锰酸钾1
‑
20mg。4.根据权利要求1所述的基于沉积法制备复合纳米纤维电极材料的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：乜广弟，张振渊，王健，付晨，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：