[发明专利]一种三价镍掺杂的镍基水滑石纳米片及其制备方法和在超级电容器中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器的电极材料领域。更具体地，涉及一种三价镍掺杂的镍基水滑石纳米片及其制备方法。

背景技术

随着现代便携电器的迅猛发展，人们对于能源的需求和能量存储容量越来越高，超级电容器和锂离子电池等已经被广泛应用于能量存储系统以满足目前迅猛的能源需求。其中超级电容器因为高的能量存储密度、快速充放电速率以及良好的充放电稳定性，已在该领域得到了广泛的应用。目前电容材料主要集中于过渡金属(Ru、Ni、Co、Mn等)以及碳纳米材料，虽然近年在该领域取得了系列进步，如下几个问题一直没有很好的解决：活性物质团聚造成催化剂较低的比表面积，进而影响了活性物质的利用效率；此外，电极材料低的导电性等进一步限制了电子传输速率，导致了低的能量输出密度。发展基于新的结构和组分的电极材料是该领域的研究重点。

含镍金属氢氧化物/氧化物因为高的理论电容量以及独特的晶体结构，在电容器领域应用极为广泛。应用最为广泛的为二价态的镍物种，其在电容充电过程中被氧化为三价镍，三价镍很不稳定，很快会被还原得到稳定的二价镍。三价镍以羟基氧化镍(NiOOH)形式存在于镍基氢氧化物中，因为其电子电导率(10^-4S/cm)远远大于Ni(OH)₂(10^-10S/cm)，且质子在NiOOH中扩散系数具有明显的优势，因而在电化学充放电中是极其活泼的电活性物质。但是其化合态不稳定，一般采用高温真空、原位生长、化学气相沉积、高能量粒子轰击(激光、电子、Ar⁺)等。这些方法因步骤繁琐，合成条件苛刻，以及设备昂贵等因素，大大限制了其在实际中的应用。如何制备稳定的三价金属镍，成为该领域研究的挑战和一大难点。

水滑石(Hydrotalcite)，其主体一般由两种金属的氢氧化物构成，因此又称为层状复合金属氧化物(Layered Double Hydroxides,简写为LDHs)。LDHs是一类重要的阴离子型层状粘土材料，层板的二价和三价金属阳离子在层板高度分散，并与羟基以共价键形成有序的主体结构，层间阴离子以静电作用，范德华作用力等平衡主体层板电荷，并具有离子交换性能。研究人员通过合理的设计将不同种类的金属离子以及层间阴离子进行调控，合成的水滑石赋予了该类材料多功能特性。目前围绕Ni基LDHs，前人已经合成了NiAl、NiTi、NiMn、NiCr、NiFe、NiCo基LDHs，其活性组分Ni在电容充放电过程中，Ni金属二价三价循环往复，在超级电容器方面展现了优越的特性。如果调控LDHs中活性物种Ni的价态，制备高活性三价镍掺杂的Ni基LDHs，并将其应用于电容器领域必会促进电极材料的应用和发展。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种三价镍掺杂的镍基水滑石纳米片材料,该材料充分利用了水滑石层板金属元素高度分散，以及水滑石层板可调控等特点，实现了富含三价镍水滑石电极材料在超级电容器方面的应用。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种上述材料的制备方法。

本发明要解决的第三个技术问题是提供上述材料在超级电容器中的应用。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供的三价镍掺杂水滑石纳米电极材料的化学式如下式所示：[Ni²⁺_1-x-1.5yNi³⁺_yM³⁺_x(OH)₂]^x+·(A^n-)_x/n·mH₂O，其中，M³⁺选自Al³⁺、Ti⁴⁺、Mn³⁺、Co³⁺和Fe³⁺的一种或几种；0.16≤x≤0.50；0.01≤y≤0.56；A^n-是NO₃^-或CO₃^2-，n为阴离子的化合价数；m为结晶水数量，取值范围为0.5-9。

本发明提供具有上述化学式的电极材料的制备方法如下：