[发明专利]一种铁酸镍微球超级电容器电极材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种铁酸镍微球超级电容器电极材料的制备方法；称量镍盐和铁盐加入到去离子水中，使其溶解；将尿素和氟化铵混合加入到溶剂中，保持镍盐、铁盐、尿素、氟化铵四者摩尔比为1：2：18～36：9～24，持续搅拌使其形成澄清溶液，随后转移至反应釜中，放置于烘箱中恒温反应；水热过程结束后自然冷却至室温得到反应产物；经过抽滤、沉淀、洗涤后干燥最终得直径为2～3μm的中空NiFe₂O₄微球。用擀片法将NiFe₂O₄微球材料制作成电极，在1A/g电流密度下具有204.3F/g的质量比电容。此方法简单易行，绿色环保，不需要后续热处理获得不含杂质的NiFe₂O₄电极材料，减少耗能过程，并易于工业化生产。

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术和电化学技术领域，特别是超级电容器电极材料制备方面，具体的说是涉及双金属氧化物铁酸镍(NiFe₂O₄)的制备方法及其在超级电容器等储能器件方面的应用。

背景技术

随着全球工业技术的极速发展，能源枯竭和环境污染成为人类面临的首要问题，开发氢能、风能、太阳能等可代替传统化石能源的清洁能源尤为重要。新型能源体系的建立离不开能源和存储技术。超级电容器是一种介于传统物理电容器和电池之间的新型储能器件，具有比功率高、充放电速度快、使用寿命长、低温性能优异、安全系数大等优势，可以广泛使用于电动力汽车、便携型电子设备、国防和航空航天领域。

超级电容器性能的提升主要依靠新型电极材料的开发。超级电容器按储能机制的差异可以分为双电层电容和赝电容。双电层电容电极材料以具有高比表面积的碳材料为主，其循环稳定性高，可大电流快速充放电，但比电容值不高。RuO₂是较早研究的赝电容材料，具有较高的理论比电容，较碳材料有更宽的工作电压窗口，但是RuO₂属于贵金属氧化物，成本高，难以工业化投产。

过渡金属氧化物、硫化物和氢氧化物由于电化学活性高、微观结构可控、化学性质稳定，有望成为新一代赝电容材料。其中，Ni、Fe基过渡金属氧化物元素储量丰富、价格低、易于合成相比于Co基材料毒性低、环境友好，逐渐受到研究人员的关注。目前，固相烧结法、化学浴沉积法是常见的制备商品化NiFe₂O₄的方法，制备的NiFe₂O₄不仅使用1000℃以上的高耗能热处理步骤，而且微观结构不均一，颗粒尺寸较大，在充放电循环中容易发生结构崩塌造成性能下降。

调控电极材料的微观结构可以改变离子传输通道；缩小颗粒尺寸使之纳米化可以有效增加比表面积，丰富活性位点。在现有技术中，利用水热法可以合成具有可控形貌的微纳材料，然而在制备过程中通常需要引入模板剂或采用多次水热等繁琐方式。设计具有中空、核壳、表面粗糙等特殊结构的材料又往往依赖于后续高温热处理，导致合成成本明显增加。因此，研发操作简单、环境友好、能源消耗低、便于投产的电极材料制备方案具有重要意义。

发明内容

本发明通过一步水热法合成一种具有多孔结构的NiFe₂O₄微球电极材料，并将这种材料制备成超级电容器电极。此制备方法简单易行，绿色环保，不需要后续热处理即可获得不含杂质的NiFe₂O₄微球，减少耗能过程，易于工业化生产。合成出的NiFe₂O₄微球用于超级电容器电极材料能够达到较高的比容量且具有优异的倍率性能。

我们首次合成了一种NiFe₂O₄微球作为超级电容器电极材料，通过SEM表征能够发现使用此方法合成的NiFe₂O₄，其微观结构呈现球形，尺寸为2～3μm，微球表面不光滑，由均匀细小颗粒堆砌而成。通过分析投射电镜扫描表征，可以发现，使用本方法制备的微球具有明显的中空特征。