[发明专利]一种非晶相分级中空微球纳米材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于新能源能量存储与转化领域，具体是涉及电极材料领域，特别涉及一种非晶相分级中空微球纳米材料及其制备方法与应用，所述非晶相分级中空微球纳米材料的壳层由非晶相纳米片构建而成，内部为空心结构，并且非晶相纳米片包含过渡金属阳离子和阴离子。本发明采用室温阴离子交换反应制备的非晶相分级中空微球材料不仅保持了中空微球的结构优势，有利于促进电解液离子的扩散和转移，而且转变的非晶相能够进一步提高材料的比表面积和电化学活性面积，暴露出更多的电化学活性位点，提高活性位点与电解液离子之间的可及度，丰富电化学反应。本发明作为超级电容器正极材料，在电化学性能测试过程中显示出优异的比容量、倍率性能和循环稳定性。

技术领域

本发明属于新能源能量存储与转化领域，具体是涉及电极材料领域，特别涉及一种非晶相分级中空微球纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术

典型层状结构的过渡金属氢氧化物以其丰富的法拉第氧化还原反应、多重离子价态、可调组分和高理论容量等优势广泛应用于超级电容器中，特别是双金属氢氧化物，例如镍钴氢氧化物、镍锰氢氧化物、镍铁氢氧化物等。然而，过渡金属氢氧化物本身具有缺陷，即较低的电导率和易团聚，导致其呈现滞后的电子/离子转移速率和有限的活性位点，使其实际的容量远低于理论值。为解决过渡金属氢氧化物存在的缺陷，可以从其结构设计和组分调控两个方入手。其中，将中空结构与非晶相相结合能够充分利用二者的优势，不仅可以有效地促进电解液离子扩散和转移，而且还能够暴露更多的电化学活性位点，提高电化学活性位点与电解液离子之间的可及度，丰富电化学反应进行。此外，过渡金属氢氧化物组分之间的调节则可以优化其电子结构，加速电化学反应过程中电子的转移，降低材料阻抗。然而，研究人员发现，目前制备的电极材料很少将中空结构、非晶相和组分调节三者结合，并且制备的过渡氢氧化物材料仍然存在工艺复杂、低比容量且循环稳定性差等问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺陷和过渡金属氢氧化物自身易团聚、低电导率、活性位点少等问题，本发明的目的是提供一种非晶相分级中空微球纳米材料及其制备方法与应用。本发明因其典型的结构优势和多元组成特点，使其具有较高的电化学活性面积、较高的比容量、优异的倍率性能和良好的结构稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：一种非晶相分级中空微球纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

①将至少两种过渡金属盐溶解于混合醇溶剂中，搅拌一段时间使其充分溶解，混合溶液恒温溶剂热反应一段时间，产物经离心分离、无水乙醇洗涤和真空干燥，得到过渡金属醇盐微球前驱体；

②将得到的过渡金属醇盐微球分散于去离子水中，超声处理，恒温水解反应一段时间，产物经离心分离、去离子水洗涤和真空干燥处理，得到过渡金属氢氧化物分级中空微球材料；

③将制备的过渡金属氢氧化物分级中空微球分散到阴离子交换溶液中，超声处理，室温搅拌反应一段时间，产物经离心分离、去离子水洗涤和真空干燥处理，得到非晶相过渡金属分级中空微球材料。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述恒温溶剂热反应温度为150~180 ℃，反应时间为1~8h。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述恒温水解反应温度为60~160 ℃，反应时间为0.5~8h。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述阴离子交换溶液为次亚磷酸钠水溶液、磷酸钠水溶液或硫化钠水溶液。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述过渡金属盐为硝酸镍、硝酸钴、硝酸锰、硝酸铁、硝酸铜或乙酰丙酮钼。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述混合醇溶剂是由多元醇和一元醇组成的，所述多元醇与一元醇的体积比为1:4~1:10。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述多元醇为线性结构二元醇、非线性结构二元醇、丙三醇、三羟甲基丙烷中的一种或多种；所述一元醇为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或多种。

本发明进一步提供了所述制备方法得到的非晶相分级中空微球纳米材料。