[发明专利]一种超级电容器电极材料及其制备方法

说明书

技术领域本发明涉及一种超级电容器材料及其制备方法。

背景技术超级电容器，作为一种介于物理电容器和二次化学电池之间的电化学器件，其能量密度远高于传统双电层电容器，而功率密度则远大于二次电池，具有高比功率密度、循环性能好、电流效率高、可快速充放电等优点，使其在电子设备、电动汽车、点火装置、储能等领域具有广泛的应用前景。电极材料作为超级电容器的核心材料，直接决定着电容器的容量、高倍率放电性能及循环性能。

基于不同的储能原理，超级电容器电极材料主要分为两类，一类是以碳材料为主的双电层电容材料，通过阴、阳离子在电极表面的积累储存能量；碳材料的电容量受限于其表面积、孔隙中的大孔和中孔比例^[8]等因素，使其比电容通常低于200F g^-1。虽然近年来新型碳材料的比电容量可达300F g^-1左右，但受其储能机理限制，很难获得更高的比容量。金属氧化物和氢氧化物作为另一类超级电容器的电极材料，通过快速的表面氧化还原反应实现电荷和能量的储存，具有极高的比电容。由于氧化物和氢氧化物电极材料通过氧化还原反应实现储能，反应过程中的物质转化使其稳定性下降，需要制备结构规整的纳米材料提高材料的稳定性。

近年来，纳米结构的氢氧化钴、氢氧化镍电极材料表现出极高的电容性能及循环性能，Aghazadeh等人[Applied Surface Science273(2013)237-242]采用电沉积的方法制备盘状的纳米β-Co(OH)₂电极材料，在1.0M KOH溶液中，在-0.2～0.5V(vsAg/AgCl)电位范围内电极材料的比电容量为736.5F g^-1，但电极材料充放电500循环后，其比容量即下降到674.5F g^-1。Pan等人[Electrochimica Acta63(2012)335-340]通过水热法在镍基体表面沉积多孔的片状α-Co(OH)₂纳米阵列，获得复合电极材料，电极材料的比电容量为1310F g^-1，充放电2000循环后，片状α-Co(OH)₂纳米阵列电极材料的比电容量损失6.3%。

郑伟涛等人申请的发明专利[制备石墨烯/氢氧化钴超级电容器复合电极材料的方法，201110242266.3]通过化学气相沉积的方法在镍基体上获得竖直生长的石墨烯，然后通过电化学方法在竖直生长的石墨烯上沉积氢氧化钴，得到复合材料，复合电极材料的最高比电容量为568F g^-1，500次充放电循环后，比电容量保持在98.4%以上，其循环性能距离万次量级还存在较大差距。

由上述可见，文献报道的用于超级电容器的氢氧化钴电极材料多为纳米片状、盘状及纳米花结构，电极材料在充放电循环几百或几千次后，电极材料均出现了比电容量的衰减。

发明内容本发明的目的在于提供一种具有良好的电容性能和优异循环性能的超级电容器电极材料及其制备方法。

本发明的超级电容器电极材料是一种结构为β-氢氧化钴，直径为2-10nm,长度为50-1000nm的β相氢氧化钴纳米线。

上述超级电容器电极材料的制备方法如下：

一、原料

1、钴盐：硝酸钴、醋酸钴、氯化钴或硫酸钴中的一种或几种；

2、无机碱：氢氧化钠、氢氧化钾或氨水中的一种或几种；

3、表面活性剂：十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠或十二烷基二甲基溴化铵中的一种或几种。

二、制备步骤

（1）将钴盐溶解在水中，得到的钴盐溶液浓度为每升溶液含钴元素1-100克。在钴盐溶液中加入表面活性剂，并且钴元素与表面活性剂的质量比为：1份钴元素：1～50份表面活性剂，于40℃下搅拌30分钟，得到溶液A；将无机碱溶于水得到碱溶液B，该碱溶液B的浓度为每升含无机碱0.01～2.0摩尔。

（2）在搅拌条件下，将溶液B逐滴加到溶液A中，直到反应液pH为6-8之间停止滴加，再搅拌混合溶液10-30分钟，得到混合液C。

（3）将混合液C移入100毫升～5升的水热反应釜中，将水热反应釜放入80～180℃的鼓风烘箱或者真空烘箱中反应0.5～8小时，反应后自然冷却。

（4）过滤或离心分离收集固体物质，将得到的固体用乙醇和水交替洗涤3-5次，除去表面活性剂，然后干燥固体得到氢氧化钴纳米线。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的方法简单，为水热法，容易加工生产，成本低。