[发明专利]一种超级电容器氧化钴电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超级电容器氧化钴电极材料的制备方法，属于电化学科学与能源技术领域。

背景技术

近年来，随着各类电子数码产品的迅猛发展，人们对电池的容量和大电流放电性能提出了越来越高的要求。超级电容器也称为电化学电容器，这种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件在近年来被广泛关注。它兼有常规电容功率密度大和充电电池能量密度大的优点，可瞬间释放大电流，可快速充放电，且充电效率高、循环使用寿命长、无记忆效应，对环境无污染。随着环保型电动汽车供电系统研究的发展，超级电容器与各类电池配合使用形成复合电池，开始应用于电动汽车的电源启动系统。此外，超级电容器也比较广泛地应用于通讯设备、备用电池和计算机领域。

超级电容器的能量储存是通过采用高比表面积多孔电极及将能量存储在扩散双层之间来实现的，充电时产生的电容包括：在电极/电解液界面通过电子和离子或偶极子的定向排列所产生的双电层电容；在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附、脱附或氧化、还原反应，产生和电极充电电位有关的法拉第准电容。超级电容器的性能与电极材料、电解液有关，而电极材料是其中最主要的因素，电极材料性能的好坏直接影响到电容器性能的好坏。目前用作超级电容器电极的材料主要有三类：碳材料、导电聚合物材料和金属氧化物材料。

金属氧化物作为超级电容器电极材料的研究是由Conway在1975年研究法拉第准电容储能原理开始的。这类电极材料组成的电容器主要是通过在电极表面或体相中的二维或准二维空间发生高度可逆的氧化还原反应产生的法拉第准电容来实现能量储存的，其电容量远大于活性炭的双电层电容，有着巨大的潜在应用前景。从1990年起，金属氧化物RuO₂作为超级电容器的电极材料受到广泛关注。RuO₂电极的导电性比碳电极好，电导率比碳材料大两个数量级，在硫酸电解液中的稳定性高，可获得较高的比能量。虽然RuO₂等贵金属氧化物作为电极材料的超级电容器在军事方面已经有着广泛的应用，但贵金属氧化物价格昂贵且具有毒性，大大地限制了它的产业化应用。研究发现，Ni、Co、Mn、V、W、Pb、Mo等氧化物具有超电容性能，可作为电极材料，很有可能代替RuO₂成为商品化的超级电容器的电极材料。

氧化钴(Co₃O₄)为黑色或灰黑色粉末，具有尖晶石结构，很早就被应用于锂离子电池、压敏电阻、催化剂等行业。当氧化钴被用作电容器电极材料时，最广泛被接受的电化学反应过程是：

Co₃O₄+OH^-+H₂O→3CoOOH+e^-

CoOOH+OH^-→CoO₂+H₂O+e^-

由上述电化学反应式可以看出，如果用氧化钴作为超级电容的电极材料，通常要使用碱性电解液才可以产生准电容的特性。对氧化钴纳米材料的研究历史很悠久，而且它本身也很容易形成各种一维或两维的纳米结构，所以要想提高氧化钴材料的电容性能，获得较大的比表面积至关重要。目前，氧化钴的制备方法主要有固相反应法、水解法、溶胶凝胶法、化学气相反应法、电化学法、沉淀法、水热法、溶剂热法和微乳液法等。

随着对粉末材料研究的逐步深入，在利用粉末制备电极的时候具有很大局限性，并且由于金属氧化物都存在较高的电阻率，在氧化还原反应过程中，电子传递阻抗非常大。因此在一定程度上限制了电容性能的提高。

近年来，在超级电容的研究方面出现了以泡沫镍作为基底的制备方法。泡沫镍具有较高的孔隙率、良好的导电性，是目前国内外电池行业普遍应用的集流体和骨架材料。泡沫镍基底具有以下几个优点：

1) 对纳米材料的种类、沉积方式的选择具有很大的灵活性；

2) 对材料的结构具有很好的可控性；

3) 具有较高的比表面积；

4) 是三维的多孔材料；

5) 制备工艺流程简单，成本低廉。