[发明专利]一种薄片状氢氧化镍/碳复合材料及其制法和其在制备超级电容器中的应用

说明书

技术领域：

本发明属于功能化无机纳米材料的合成及电化学储能应用领域，涉及一种利用原位水合反应和离子交换的方法合成具有薄片状形貌的氢氧化镍/碳复合材料及其电化学超级电容器的应用。

背景技术：

由于具有高的理论容量，良好的法拉第反应性能，易于合成，来源丰富，环境友好的综合特性，氢氧化镍作为电极材料用于超级电容器储能具有良好的应用前景。然而，氢氧化镍作为电极材料用于超级电容器储能仍然受到限制，因为其导电性非常差，这极大的限制了其实际的应用价值。迄今为止，提高氢氧化镍的导电性的方法主要是通过将氢氧化镍与导电材料进行复合。然而直接合成氢氧化镍和碳的复合材料比较困难，因为氢氧化镍和碳材料的表面性质不相容。通常的合成中需要对碳基体进行氧化处理，增加两者的相容性。陈卫华等人的专利(申请号：200710051808.2)报道了一种纳米氢氧化镍/碳复合材料及其制备方法，其合成方法是利用超声波将可容性镍盐和碱源快速反应沉积到碳基体上，该方法适用于实验室小规模制备，无法大规模制备。李延伟等人的专利(200910114320.9)报道了一种氢氧化镍/碳纳米管复合电极材料的制备方法，其方法是在强搅拌的条件下可容性镍盐和碱源快速反应沉积到碳纳米管的基体上，这种方法需要预先将碳纳米管在强氧化性酸中进行预氧化，氧化后的碳纳米管的导电性会下降。米红宇等人的专利(申请号：201210438049.6)报道了一种三维结构的氢氧化镍/碳复合电极材料，但是其方法中利用的是反相微乳的方法，不利于大规模制备，且其所得的电极材料的容量较低，仅为1398F/g。程起林等人的专利(申请号：201210445193.2)报道了一种核壳结构氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的制备方法及其应用，但是其合成过程中用到了有机碱源(六次甲基四胺)，因此其合成路线是对环境不友好的，而且其所得的复合电极材料的电容循环寿命差，经过1000次循环后容量仅能保持81％。范磊等人的专利(申请号：201410192439.9)报道了一种氢氧化镍/多壁碳纳米管复合材料的制备方法，但是其合成过程中也需要将碳管进行预氧化处理，不利于碳基体的导电性的保持。同样的，刘天西等人的专利(申请号：201610514756.7)报道了一种氢氧化镍/石墨烯卷-碳纳米管复合碳气凝胶的制备，其制备方法中也需要将碳管进行氧化处理，而且其得到的复合材料的电容性能比较差，容量仅有1208F/g。以上的分析显示，目前报道的氢氧化镍/碳复合电极材料制备过程大都需要对碳基体进行氧化处理，而且所得材料的电容性能还比较差，距离实际的应用还相差较远。另外，目前报道的合成氢氧化镍/碳复合电极材料的方法存在着低效率，成本高，不环保的缺陷，其中大部分报道的合成方法都依赖于额外的碱源，结合以上分析，用一种不需要氧化处理碳基体且不依赖于额外的碱源的方法得到具有优异的电容性能的氢氧化镍/碳复合电极材料仍然存在挑战。

发明内容：

本发明提供了一种薄片状氢氧化镍/碳复合电极材料的制备方法及其在制备超级电容器中的应用。这种复合电极材料可在6.0M KOH电解质中，实现高的电容存储容量(高达2218F/g)和优异的循环寿命，在高电流密度下，经过10000次的连续充放电后其容量可以保持在93％。

本发明可以通过如下技术方案实现：

一种薄片状氢氧化镍/碳复合电极材料的制备方法，它包括下列步骤：

步骤1将可溶性有机碳源通过搅拌分散在水里，形成前体溶液，最终得到的前体的浓度为0.2-0.5mol/L；

步骤2、将5ml步骤1中制备好的前体溶液通过浸渍的方法负载到5g氢氧化钙粉体上然后将负载有前体的氢氧化钙在100℃下干燥得到前体和氢氧化钙的复合结构；

步骤3、将步骤2中得到的前体和氢氧化钙的复合结构在氩气的气氛下高温碳化得到氧化钙/碳的复合结构；

步骤4、称取可溶性镍盐作为前体，并将其溶解于水中得到镍的前体溶液，所制备的前体溶液中镍离子的浓度为0.2-0.5mol/L；

步骤5、将1g步骤3中得到的氧化钙/碳的复合结构转移到50ml步骤4配制的溶液中搅拌进行水合反应和离子交换反应；

步骤6、将步骤5得到的混合体系进行过滤，洗涤和烘干得到薄片状氢氧化镍/碳复合电极材料。

上述的薄片状氢氧化镍/碳复合电极材料的制备方法，步骤1所述的有机碳源为可溶性酚醛树脂，葡萄糖，蔗糖，果糖。

上述的薄片状氢氧化镍/碳复合电极材料的制备方法，步骤2所述的浸渍方法为初湿浸渍法，干燥时间为24-48h。