超级电容器三维多孔复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了超级电容器三维多孔复合薄膜及其制备方法，通过阴极电沉积法，反应60～180s生成三维多孔纳米镍薄膜；以三维多孔纳米镍薄膜为载体，通过阴极电沉积法，反应100～400s沉积，在三维多孔纳米镍层上复合氢氧化钴纳米片层，制备三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜，其中三维多孔纳米镍层的孔径为5～10μm，氢氧化钴纳米片层的片间距为10～300nm，复合薄膜厚度30～200μm，氢氧化钴纳米片与三维多孔纳米镍薄膜的重量比为5∶100～20∶100。本发明专利技术复合薄膜具有高比电容，高功率和高能量密度及高循环寿命，在电动汽车、通讯和信号控制等领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于复合材料领域，具体涉及超级电容器金属材料与过渡金属化合物复合薄膜及其制备方法，尤其是三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜及其制备方法。
技术介绍
超级电容器是一种性能介于电池与传统电容器之间的绿色储能器件，具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长和工作温度范围宽等优点，在电动汽车、通讯和信号控制等领域具有广阔的应用前景。超级电容器往往具有超高功率放电特性，可高达IOkW/ kg，但超级电容器一直受较低的能量密度困扰(5-4(Mh/kg)，其能量密度只有锂离子电池 (120ffh/kg)的几分之一甚至几十分之一，无法满足电动汽车等领域对超级电容器高能量密度的迫切需求。超级电容器的低能量密度主要是由电极材料的低比电容量造成的。传统超级电容器的碳基活性材料的比电容量只有110_200F/g，其能量密度低于20Wh/kg，且在超大电流工作条件下能量/功率密度衰减较快，极大限制了高能量高功率超级电容器的研制。因此，设计合成高容量高功率电极材料对高性能超级电容器的研制、环境的可持续发展及高性能电极材料的设计开发具有重要意义。电极材料是超级电容器的核心部件，是决定其性能的关键因素。随着超级电容器应用领域的拓展和深入，研究开发兼有高比电容量、高功率密度、高能量密度和高循环寿命的电极材料变得尤为迫切。
技术实现思路
本专利技术提供了一种三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜及其制备方法，该复合薄膜用作超级电容器电极材料兼具高能量密度和高功率密度。一种三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜，所述的三维多孔纳米镍层上复合有所述的氢氧化钴纳米片层，所述的三维多孔纳米镍层的孔径为5 10 μ m， 所述的氢氧化钴纳米片层的片间距为10 300nm ；所述的复合薄膜的厚度30 200 μ m,所述的氢氧化钴纳米片层与所述的三维多孔纳米镍层的重量比为5 100 20 100。所述的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜的制备方法，其步骤如下(1)将氯化铵和氯化镍按重量比5 1 15 1溶于去离子水形成含镍盐电解液；(2)以镍箔为第一工作电极，钼片为第一辅助电极，采用步骤⑴制备的含镍盐电解液，构成电化学双电极体系；在所述的电化学双电极体系中，在第一工作电极上施加阴极电流密度为1. 5 3A/cm2，反应60 180s，以阴极产生的氢气为模板，在所述的镍箔上沉积，形成三维多孔纳米镍薄膜；(3)将硝酸钴和硝酸钠按重量比36 1溶于去离子水中，得到含钴盐电解液；(4)以步骤⑵制备的三维多孔纳米镍薄膜为第二工作电极，钼片为第二辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，采用步骤C3)制备的含钴盐电解液，构成电化学三电极体系；在所述的电化学三电极体系中，在第二工作电极上施加阴极电流密度为1 lOmA/cm2， 反应100 400s，在所述的三维多孔纳米镍薄膜上沉积氢氧化钴纳米片，形成三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜。所述的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜，三维多孔纳米镍层上复合有氢氧化钴纳米片层，所述的三维多孔纳米镍层的孔径为5 ομπι，所述的氢氧化钴纳米片层的片间距为10 300nm ；所述的复合薄膜的厚度为30 200 μ m。根据实际需要，可以调整反应时间来控制其厚度，可以通过施加电压来调整其孔径和片间距大小。本专利技术方法以三维多孔纳米镍薄膜为沉积载体，通过阴极电沉积氢气模板法制备三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜。该制备方法简单方便，易于控制。本专利技术制备的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜，由三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片构成，并且具有多孔网络结构。氢氧化钴通过氧化还原反应可产生达1900F/g以上的高比电容，三维多孔纳米镍具有大的比表面积及多层次孔结构，不但能为氢氧化钴提供快电子传输通道，而且同时与氢氧化钴纳米片构成三维立体多孔交叉网络结构，有利于增大薄膜电极和电解液的接触面积，并提供更大有效的活性反应面积，同时为电化学反应提供良好的电子和离子扩散通道，缩短离子到超电容薄膜的扩散距离，从而提高超电容性能。本专利技术中，将高比电容的氢氧化钴与高导电性的三维多孔纳米镍结合， 克服了单一的过渡金属氢氧化物由于自身导电性较差而无法满足在高功率条件下保持高能量密度要求的缺点，从而实现高功率放电性能的同时保持高能量密度，以形成具有高功率、高能量密度的新型超级电容器电极材料。本专利技术制备的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜具备快电子和离子传输通道，导电性好，充放电容量高，循环稳定性好，高倍率性能好，能量和功率密度高，尤其适合超大充放电流条件下工作。附图说明图1为实施例1中制得的三维多孔纳米镍薄膜的扫描电镜图。图2为图1的局部放大图。图3为实施例1中制得的三维多孔纳米镍薄膜的透射电镜和选区电子衍射图。图4为实施例1中制得的三维多孔纳米镍薄膜和三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜的XRD图，其中，a为三维多孔纳米镍薄膜；b为三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片复合薄膜。图5为实施例1制备的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜的扫描电镜图。图6为图5的局部放大图。 具体实施例方式下面结合实施例来详细说明本专利技术，但本专利技术并不仅限于此。实施例1分别称取IOOg氯化铵和20g氯化镍置于烧杯中，然后加入IOOOmL去离子水，搅拌至完全溶解形成含镍盐电解液。然后把含镍盐电解液转移到电化学双电极体系中，其中镍箔为第一工作电极，钼片为第一辅助电极。在第一工作电极上施加阴极电流密度为1.5A/ cm2，反应60s，以阴极产生的氢气为模板，在所述的镍箔上沉积，得到三维多孔纳米镍薄膜。 对得到的三维多孔纳米镍薄膜进行SEM、TEM和XRD分析，其扫描电镜及局部放大图如图1 和2所示，可见三维多孔纳米镍薄膜中，大孔范围6 12 μ m，小孔范围100 500nm，薄膜厚度^ym ；其透射电镜图如图3所示，其XRD图如图4中a所示，可见薄膜成分为镍。分别称取90g硝酸钴和2. 5g硝酸钠溶于IOOOmL去离子水，搅拌至完全溶解形成含钴盐电解液。然后把含钴盐电解液转移到电化学三电极体系中，其中以上述所制备的三维多孔纳米镍薄膜为第二工作电极，钼片为第二辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。在第二工作电极上施加阴极电流密度为ImA/cm2，反应100s，在三维多孔纳米镍薄膜层上沉积氢氧化钴纳米片层，得到三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜。对得到的复合薄膜进行XRD分析，结果如图4中b所示，显示复合薄膜中组成为镍和氢氧化钴；对得到的复合薄膜进行SEM分析，结果如图5和6所示，可见复合薄膜中，三维多孔纳米镍层的孔径为5 10 μ m，氢氧化钴纳米片层的片间距为10 300nm，复合薄膜厚度30 μ m,氢氧化钴纳米片层与三维多孔纳米镍层的重量比为5 100。实施例2 分别称取200g氯化铵和20g氯化镍置于烧杯中，然后加入IOOOmL去离子水，搅拌至完全溶解形成含镍盐电解液。然后把含镍盐电解液转移到电化学双电极体系中，其中镍箔为第一工作电极，钼片为第一辅助电极。在第一工作电极上施加阴极电流密度为2A/cm2， 反应120s，以阴本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种三维多孔纳米镍／氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜，其特征在于，所述的三维多孔纳米镍层上复合有所述的氢氧化钴纳米片层，所述的三维多孔纳米镍层的孔径为５～１０μｍ，所述的氢氧化钴纳米片层的片间距为１０～３００ｎｍ；所述的复合薄膜的厚度３０～２００μｍ，所述的氢氧化钴纳米片层与所述的三维多孔纳米镍层的重量比为５∶１００～２０∶１００。

【技术特征摘要】
1.一种三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜，其特征在于，所述的三维多孔纳米镍层上复合有所述的氢氧化钴纳米片层，所述的三维多孔纳米镍层的孔径为5 ομπι，所述的氢氧化钴纳米片层的片间距为10 300nm ；所述的复合薄膜的厚度 30 200 μ m，所述的氢氧化钴纳米片层与所述的三维多孔纳米镍层的重量比为5 100 20 100。2.如权利要求1所述的三维多孔纳米镍/氢氧化钴纳米片超级电容器复合薄膜的制备方法，其特征在于，其步骤如下(1)将氯化铵和氯化镍按重量比5 1 15 1溶于去离子水形成含镍盐电解液；(2)以镍箔为第一工作电极，钼片为第一辅助电极，采用步骤(1)制备的含镍盐电解液，构成电化...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏新辉，涂江平，麦永津，王秀丽，谷长栋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86