[发明专利]一种具有笼状结构的超级电容器电极材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种具有笼状结构的超级电容器电极材料，该材料由笼状碳球和片层状NiCo₂S₄的核壳结构组成，片层状NiCo₂S₄在外包覆内部的碳球形成笼状结构。该发明先构造笼状碳球，并引入多种功能团，实现片层状NiCo₂S₄的有效组装。这种笼状碳球@片层状NiCo₂S₄材料应用于超级电容器电极材料，一方面利用了笼状碳球材料导电性高、比表面积大和分散性好的优点，提高了电极材料与电解液的有效接触面积；另一方面利用片层状NiCo₂S₄丰富的孔道结构和Co³⁺/Co²⁺及Ni³⁺/Ni²⁺氧化还原电子对，可以获得较高的工作电压窗口，从而提高超级电容器电极材料的比电容和循环充放电稳定性。

技术领域

本发明涉及一种具有笼状结构的超级电容器电极材料及制备方法，具体涉及一种具有笼状碳球@片层状NiCo₂S₄材料及制备方法，属于材料制备领域。

背景技术

近年来，超级电容器因其具有高功率密度、充电短时间和循环寿命长等诸多优点而受到广泛关注。电极材料是影响超级电容器性能的关键因素，以RuO₂等贵金属氧化物因其赝电容原理有较大的比电容值，但昂贵的价格和毒性限制了其商业化应用。一些廉价金属硫化物代替贵金属作为超级电容器电极材料成为研究热点。NiCo₂S₄是一种典型的尖晶石结构复合金属硫化物，存在Co³⁺/Co²⁺及Ni³⁺/Ni²⁺氧化还原电对，可以获得较高的工作电压窗口和比电容值，同时因其廉价无毒表现为极具潜力的电极材料，因此不同结构、形态、尺寸的NiCo₂S₄的制备受到了众多研究人员的关注(如Chen等,Nanoscale,2013,5(19),8879；Wan等,Crystengcomm,2013,15(38),7649；Chen等,ACS Nano,2014,8(9),9531；Zhang等,Nanoscale,2014,6(16),9824；Pu等,ACS Sustain.Chem.Eng.2014,2(4),809；Zhu等,J.Power.Sources.2015,273,584)。然而NiCo₂S₄作为电极材料运用于超级电容器的时候，往往存在一个问题—材料的电阻过大，导电性偏低，导致超级电容器在大电流密度下充循环冲放电不够稳定。因而，需要以一定的方式将碳材料加入到NiCo₂S₄电极材料中，来提高电极材料的导电性，以达到增强其电化学性能的目的。如Peng等用原位法制备NiCo₂S₄/石墨烯复合材料(Chemical Communications,2013,49(86),10178)；Xiao等在碳纤维上生长NiCo₂S₄纳米管(Nano Letter,2014,14(2),831)；Wu等一步合成了NiCo₂S₄/氧化石墨复合材料(JMater.Chem.A,2014,2(48),20990)；Ding等制备了NiCo₂S₄/碳布复合材料(RSC Advances,2015,5(60),48631)；中国专利公开了一种电沉积发制备NiCo₂S₄/碳纳米管(ZL2015104733326)等。然而，尽管碳纳米管、石墨烯、碳纤维和碳布等结合NiCo₂S₄复合的电极材料具有较高的导电性和优异的超级电容性能，但这些碳纳米材料制备困难、价格昂贵，难以商业化大规模生产。