[发明专利]一种复合电极材料、其制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种复合电极材料、其制备方法及应用，本发明的方法通过将配位溶解的金属氧化物和/或氢氧化物溶液与碳材料进行混合，通过配体溶液的蒸发，在碳材料表面原位生长金属氧化物和/或金属氢氧化物，即得到本发明的复合电极材料。所述方法操作简单、成本低、绿色环保、无需后处理，为电极材料的工业化大规模生产提供可能。本发明所述方法制备得到的复合电极材料在电能存储方面具有优异的性质。例如利用本发明所述方法制备的5％的负载量氢氧化镍‑活性炭复合电极材料在5mV/s扫速下，全电极质量比容量达到294F/g，活性物质比容量更是高达4917F/g。

技术领域

本发明属于储能材料领域，涉及一种复合电极材料、其制备方法及应用，尤其涉及一种金属氧化物和/或金属氢氧化物-碳材料复合电极材料、其制备方法及其在能量储存相关领域的应用。

背景技术

能源是人类存在和发展的物质基础，由于化石燃料的逐渐消耗，人类正面临一场严重的能源危机，因此人们积极地去探索各种新能源技术和能量存储系统，进而使得便携式电子器件、复合电动汽车、大型电网等快速发展，人们对低成本、环境友好、高能量密度、高功率密度的能量存储设备也产生了更加迫切需求。电化学尤其是电化学能源的开发和高能电池技术的发展显得至关重要，而影响电化学能源存储的关键技术就在于电极材料设计和合成。

作为赝电容活性物质的氢氧化镍、氧化镍、氢氧化钴、氧化钴、氢氧化锰和氧化锰等具有较高的理论比容量，且在自然资源广泛、价格低廉、环境友好，其作为电极活性材料被广泛应用于超级电容器、电池等各种储能器件，近年来受到了世界范围的广泛关注。但大部分金属氧化物或氢氧化物的导电能力差、比表面积小等因素使得电极材料不能完全利用，严重制约了电极材料的储能性能、倍率性能和循环性能。

碳材料如活性炭、石墨烯、碳纳米管、碳纤维等具有较大的比表面积，可以利用双电层进行能量的存储与释放，具有优良的导电性能和循环性能，并且价格非常低廉，但是仅依靠双电层所储存的能量有限。

现有的复合电极材料的制备方法多为水热法、直接沉淀法等，这些方法都采用活性材料的前体，如金属盐，通过沉淀或水热的方法制备活性材料。沉淀法和水热法都涉及到金属氧化物或氢氧化物的尺寸控制，且得到的材料表面暴露程度不高，从而导致其储能性能不够好；另外，加热的方法会导致活性材料尺寸变大，这同样也会导致其储能性能下降。

CN 102826617 B公开了一种球形氢氧化镍材料及其水热制备方法，包括如下步骤：(1)以10：1～3：1的体积比将硝酸镍水溶液与丙三醇搅拌至少3min，所述硝酸镍水溶液中硝酸镍的浓度为0.01～0.4g/L；(2)在步骤(1)得到的混合溶液中加入尿素，室温下通过搅拌混合至少15min；所述尿素的加入量为0.01mol/L～0.5mol/L；将步骤(2)得到的混合溶液置于密闭反应器中，在100℃～210℃反应至少5小时；(4)分离出步骤(3)制备的沉淀，用蒸馏水和无水乙醇分别洗涤5次，干燥，干燥温度为40℃～100℃，干燥时间至少8小时，即得到由分级结构纳米片组装而成的球形氢氧化镍材料。由该方法制备得到的氢氧化镍是由纳米片组装而成的三维球形结构，在电池充放电时，具有较高的比容量和循环寿命，但是，该水热合成法制备过程中，操作繁琐，条件控制苛刻，不利于大规模生产，而且得到的材料的粒度较大、不均匀，使得材料内部活性物质难以完全被利用，储能性能较差。