一種泡沫鎳基超級電容器電極材料的制備方法與流程

本發明涉及一種超級電容器材料的制備，尤其涉及一種泡沫鎳基超級電容器電極材料的制備方法。

背景技術：

目前，石墨烯基的超級電容器材料的研究已經達到頂峰，在電子設備領域現急需具有物理柔韌性的固態設備。泡沫鎳由于具有三維網狀結構，空隙率高，比表面大，質量均勻，成為MH/Ni及Cd/Ni電池理想的電極基板材料。

CN201410579087.2公開了一種以泡沫鎳為基底的氧化鎳/聚苯胺超級電容器電極材料的制備方法，包括：對多孔的泡沫鎳進行預處理，作為電極的集流體；用導電高分子聚苯胺作為電極中間層，在泡沫鎳基底上原位生長聚苯胺納米棒；用電化學沉積氧化鎳納米片活性層，得到一種具有高比表面積、高活性的超級電容器電極材料。該電極材料中聚苯胺和氧化鎳分布均勻，形成多孔結構，電化學性能相對于純聚苯胺與純氧化鎳有了顯著提升但是該方法溫度不能準確把握，表面形貌不好控制。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術中存在的問題，提供一種工藝簡單、成本較低、環境友好，性能良好的泡沫鎳基超級電容器電極材料的制備方法。

一、泡沫鎳基超級電容器電極材料的制備

本發明泡沫鎳基超級電容器電極材料的制備方法，包括以下工藝步驟：

（1）將泡沫鎳于丙酮中浸泡5~20min，超聲5~10min；取出用水清洗后，再于1~3mol /L鹽酸水溶液中浸泡5~20min，超聲5~10min（清洗泡沫鎳表面）；用水清洗；

（2）將經清洗處理的泡沫鎳置于0.1~0.5mol/L氫氧化鈉溶液中進行微波處理，然后用水清洗，備用；

（3）將高錳酸鉀溶解到0.1~0.3mol /L 鹽酸水溶液中，并將上述微波處理的泡沫鎳放入其中，超聲處理20~30min，得到固液多相體系；

（4）將苯胺加入0.1~0.3mol /L鹽酸水溶液中，超聲處理5~30min；再緩慢加入到上述固液多相體系中，并控制體系溫度在0~4℃；然后在密閉條件下反應2~8h，用水沖洗，烘干，得泡沫鎳基超級電容器電極材料。高錳酸鉀與苯胺單體的質量比為1:1~1:4。

本發明制備泡沫鎳基超級電容器電極材料的機理：泡沫鎳基底的工作電極先用丙酮和鹽酸溶液清洗，以除去表面的雜質；再在氫氧化鈉溶液中微波處理，使其表面生長出均一的氫氧化鎳納米粒子；然后在高錳酸鉀溶液中進一步超聲反應，使其表面覆蓋活性物質（MnO₂），以增強其氧化還原性能；采用溶液聚合法，使苯胺在酸性條件下在電極表面聚合生成導電性良好的聚苯胺，從而進一步提高了電極材料的超級電容器性能，得到高比電容的電極材料。另外，可通過控制高錳酸鉀與苯胺單體的質量比來控制電極片的表面包覆狀態，進而控制電極材料的性能。

圖1、2分別為裸電極NF及微波預處理后電極材料的掃描電鏡圖(SEM）。通過比較可以發現，本發明制備的電極表面產生了均一的納米花粒子（圖2），大大增加了材料的比表面積，為后續反應奠定基礎。

圖3為本發明泡沫鎳基超級電容器電極材料的掃描電鏡圖(SEM)。由圖3可以看出，本發明制備的泡沫鎳基超級電容器電極材料PANI/MnO₂/NF具有納米級孔狀結構，進一步增大了材料的比表面積，有利于提高電極材料的電化學性。

二、泡沫鎳基超級電容器電極材料的性能

圖4為本發明電極材料PANI/MnO₂/NF的循環伏安曲線。由圖4可以看出，在-0.5~0.5V的電勢窗口下，在不同掃速下均出現了氧化還原峰，并且隨著掃速的增大，峰值增大，閉合面積增大，比電容增加。

圖5為本發明電極材料PANI/MnO₂/NF的恒電流充放電。圖5呈現對稱結構體現其氧化還原性能，與圖4 CV曲線相對應，隨著電流密度的增加，放電時間減小，比電容降低。

圖6為本發明電極材料PANI/MnO₂/NF的阻抗圖。由圖6前半部分可以看出電極內阻小，后面斜率大，擴散作用好。

綜上所述，本發明制備的泡沫鎳基超級電容器電極材料，具有納米級孔狀結構，比表面積大，比電容高，韌性強，是一種性能優異的超級電容器材料。另外，該方法工藝簡單，操作方便，成本低，環境友好。

附圖說明

圖1為裸電極NF的掃描電鏡圖(SEM）。

圖2為微波預處理后電極材料的掃描電鏡圖(SEM）。

圖3為最終產品電極材料PANI/MnO₂/NF的掃描電鏡圖（SEM）。

圖4為PANI/MnO₂/NF超級電容器電極材料的循環伏安曲線。

圖5為PANI/MnO₂/NF超級電容器電極材料的恒電流充放電曲線。

圖6為PANI/MnO₂/NF超級電容器電極材料的阻抗圖。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發明泡沫鎳基超級電容器電極材料的制備方法作進一步說明。

實施例1

（1）泡沫鎳的清洗：將泡沫鎳裁剪為1×3 cm²，于丙酮中浸泡15分鐘，超聲10min；取出用水清洗數次，再于3 mol/L HCl浸泡20min，超聲10min；用水清洗數次清洗；

（2）微波處理：將清洗處理的泡沫鎳置于0.3mol/L氫氧化鈉溶液中進行微波處理（微波處理的功率為300W，設定反應時間10min）；取出用水清洗數次，備用；

（3）稱取0.1612g高錳酸鉀，溶解到0.15mol/L HCl中；將上述處理后的泡沫鎳放入其中，超聲處理30min，得到固液多相體系；然后將體系轉移到水浴攪拌，控制溫度在4℃以下；

（4）取1mL苯胺（高錳酸鉀與苯胺單體的質量比為1:1）放入0.15mol/L鹽酸水溶液中，超聲處理15min，分次緩慢注射至上述固液體系中，保鮮膜密閉下反應4小時，用水沖洗數次，烘干，得泡沫鎳基超級電容器電極材料。

經檢測，該泡沫鎳基超級電容器電極材料材料電極的比電容在0.4A/g的電流密度下達到150F/g。

實施例2

（1）將泡沫鎳裁剪為1×3 cm²，于丙酮中浸泡15分鐘，超聲10min；取出用水清洗數次，再于3mol/L HCl浸泡20min，超聲10min；用水清洗數次清洗；

（2）將清洗處理的泡沫鎳置于0.3mol/L氫氧化鈉溶液中進行微波反應（微波反應的功率為300W，設定反應時間10min）；用水清洗數次，備用；

（3）稱取0.867g高錳酸鉀，溶解到0.15mol/L HCl中；將上述處理后的泡沫鎳放入其中，超聲處理30min，得到固液多相體系；然后將體系轉移到水浴攪拌，控制溫度在4℃以下；

（4）取1mL苯胺（高錳酸鉀與苯胺單體的質量比為1:2）放入0.15mol/L鹽酸水溶液中，超聲處理15min，分次緩慢注射至上述固液體系中，保鮮膜密閉下反應4小時，用水沖洗數次，烘干，得泡沫鎳基超級電容器電極材料。

經檢測，該泡沫鎳基超級電容器電極材料材料電極的比電容在0.6A/g的電流密度下達到201F/g。

實施例3

（1）將泡沫鎳裁剪為1×3 cm²，于丙酮中浸泡15分鐘，超聲10min；取出用水清洗數次，再于3mol/L HCl浸泡20min，超聲10min；用水清洗數次清洗；

（2）將清洗處理的泡沫鎳置于0.3mol/L氫氧化鈉溶液中進行微波反應（微波反應的功率為300W，設定反應時間10min）；用水清洗數次，備用；

（3）稱取0.578g高錳酸鉀，溶解到0.15mol/L HCl中；將上述處理后的泡沫鎳放入其中，超聲處理30min，得到固液多相體系；然后將體系轉移到水浴攪拌，控制溫度在4℃以下；

（4）取1mL苯胺（高錳酸鉀與苯胺單體的質量比為1:3）放入0.15mol/L鹽酸水溶液中，超聲處理15min，分次緩慢注射至上述固液體系中，保鮮膜密閉下反應4小時，用水沖洗數次，烘干，得泡沫鎳基超級電容器電極材料。

經檢測，該泡沫鎳基超級電容器電極材料材料電極的比電容在1.5A/g的電流密度下達到404.15F/g。

實施例4

（1）將泡沫鎳裁剪為1×3 cm²，于丙酮中浸泡15分鐘，超聲10min；取出用水清洗數次，再于3mol/L HCl浸泡20min，超聲10min；用水清洗數次清洗；

（2）將清洗處理的泡沫鎳置于0.3mol/L氫氧化鈉溶液中進行微波反應（微波反應的功率為300W，設定反應時間10min）；用水清洗數次，備用；

（3）稱取0.433g高錳酸鉀，溶解到0.15mol/L HCl中；將上述處理后的泡沫鎳放入其中，超聲處理30min，得到固液多相體系；然后將體系轉移到水浴攪拌，控制溫度在4℃以下；

（4）取1mL苯胺（高錳酸鉀與苯胺單體的質量比為1:4）放入0.15mol/L鹽酸水溶液中，超聲處理15min，分次緩慢注射至上述固液體系中，保鮮膜密閉下反應4小時，用水沖洗數次，烘干，得泡沫鎳基超級電容器電極材料。

經檢測，該泡沫鎳基超級電容器電極材料材料電極的比電容在0.8A/g的電流密度下達到237.3F/g。