一種超級電容器電極材料四氧化三鈷微米束狀陣列結構的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于超級電容器器件技術領域，具體涉及超級電容器電極材料四氧化三鈷微米束狀陣列結構的制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著世界能源危機的到來，生產和制造性能卓越的供電設備(例如超級電容器、鋰離子電池等)變得越來越重要。過渡金屬氧化物因其多樣的價電子結構，豐富的物理和化學性質，以及在光電、催化、磁性以及超級電容器等領域的應用成為當今研宄的熱點。
[0003]電極材料的電化學活性直接決定器件的電容性能，因此，活性電極材料的開發便成為ECs研宄和應用的重點。通常，用于ECs的電極材料包括炭材料、金屬氧化物和導電聚合物三大類。炭材料電極通過電解液與電極的界面處形成的雙電層存儲能量(雙電層電容)；金屬氧化物及導電聚合物材料電極則通過快速可逆的氧化還原反應獲得法拉第電容(贗電容)，此法拉第電容一般遠大于炭材料獲得的雙電層電容。作為ECs電極材料使用的貴金屬氧化物(如RuO2)具有非常優良的電化學電容性質，但昂貴的價格和劇毒性大大制約其作為電化學電容器電極材料的應用和商品化，研宄者嘗試通過不同方法制備氧化鈷(Co3O4)、氧化镲(N1)、氧化錫(SnO2)和氧化猛(MnOx)等賤金屬氧化物，作為貴金屬氧化物的替代品，電極的比容量、充放電效率和長循環壽命顯著提高。
[0004]最近報道的關于2D片層結構金屬氧化物電極材料比容量有所增加，但納米尺度片層內部電阻較大，電極的坍塌變形嚴重，研宄表明微米長度的片層結構電極材料，內部電阻降低從而增加電極的比容量和高倍率特性，這是由于微米長度的金屬氧化物具有較大范圍的層狀電荷傳導框架，同時，微米束狀陣列結構具有大范圍規整、穩定和順暢的電荷傳導路徑，有利于電化學性能的提高。
[0005]近年來，各種方法用于控制合成具有良好形貌和功能可調的微納米陣列結構，主要包括電化學沉積、氧化，基于犧牲模板的化學濕法以及一些物理技術如濺射和脈沖激光沉積等，在這些處理中，結構復雜、形貌規整、結晶良好、電化學性能優良的納米線陣列結構已有報道。但是，以簡便、節能、高效的合成方法，精準控制合成過渡金屬氧化物微納米陣列仍需進一步探索。本發明采用在導電基底表面原位生長金屬氧化物電極材料，可有效提高活性物質利用率高、增大活性表面、提高材料的擴散傳質性能。
【發明內容】
[0006]本發明將導電集流體鎳網上原位生長的四氧化三鈷微米束狀結構應用于超級電容器電極材料，提供一種制備方法簡單且具有較高比容量和較好穩定性的贗電容電極材料。
[0007]為解決上述技術問題，本發明采取如下技術方案:
一種四氧化三鈷微米束狀的超級電容器電極材料，所述的超級電容器的電極體系包括導電集流體，電極活性材料層、電解液和隔膜，導電基底為3D鎳網。
[0008]本發明的超級電容器用四氧化三鈷的制備方法，采用水熱法在導電基底鎳網上原位生長四氧化三鈷微米束狀，作為超級電容器的陰極，具體包括如下步驟:(I)將鈷鹽和堿性沉淀劑在蒸餾水中均勻超聲混合，將該溶液移入聚四氟內襯的高壓反應釜中，并將洗滌后的導電基底置于溶液中，水熱反應溫度為95°c ~120°C，時間為5~12h。反應完成后取出基底并進行水洗和真空干燥，得到四氧化三鈷的先驅體；(2)將四氧化三鈷前軀體在空氣氣氛中進行熱處理，熱處理的溫度為200°C~600°C，即得到所述的基于四氧化三鈷微米束狀陣列的超級電容器電極材料。
[0009]四氧化三鈷的形貌以及在導電基底上的穩定性不僅與制備方法有關，還與基底的種類密切相關，已有研宄發現，采用本方法在其他導電基底(鈦網、導電玻璃)上生長的四氧化三鈷會得到不同的形貌。
[0010]水熱法制備四氧化三鈷過程中，為了得到形貌規整，結合牢固的陣列結構，導電基底的放置位置及方法有較大的影響，將導電基底的導電面向下置于反應釜中，且與底部的內角呈45° ~75°。
【附圖說明】
[0011]圖1是實施例1中所制備的四氧化三鈷微米束狀陣列的低倍掃描電鏡照片。
[0012]圖2是實施例1中所制備的四氧化三鈷微米束狀陣列的高倍掃描電鏡照片。
[0013]圖3是實施例1中所制備的四氧化三鈷微米束狀陣列電極的循環伏安曲線。
[0014]圖4是實施例1中所制備的四氧化三鈷微米束狀陣列電極的充放電曲線。
【具體實施方式】
[0015]下面結合實施例對本發明的技術方案及效果作進一步描述。但是，所使用的具體方法、配方和說明并不是對本發明的限制。
[0016]實施例1:將2.5mmol硝酸鈷和12.5 mmol尿素在蒸飽水中均勾超聲混合，將該溶液移入聚四氟內襯的高壓反應釜中，95°C反應8h，并將洗滌后的導電基底鎳網置于溶液中，反應完成后取出基底并進行水洗和真空干燥，得到四氧化三鈷的先驅體，將四氧化三鈷前軀體在空氣氣氛中350°C熱處理1.5h，得到四氧化三鈷微米束狀陣列。
[0017]實施例2:將2.5mmol硝酸鈷和12.5 mmol尿素在蒸飽水中均勾超聲混合，將該溶液移入聚四氟內襯的高壓反應釜中，105°C反應8h，并將洗滌后的導電基底鎳網置于溶液中，反應完成后取出基底并進行水洗和真空干燥，得到四氧化三鈷的先驅體，將四氧化三鈷前軀體在空氣氣氛中350°C熱處理1.5h，得到四氧化三鈷微米束狀陣列。
[0018]實施例3:將2.5mmol硝酸鈷和12.5 mmol尿素在蒸飽水中均勾超聲混合，將該溶液移入聚四氟內襯的高壓反應釜中，115°C反應8h，并將洗滌后的導電基底鎳網置于溶液中，反應完成后取出基底并進行水洗和真空干燥，得到四氧化三鈷的先驅體，將四氧化三鈷前軀體在空氣氣氛中350°C熱處理1.5h，得到四氧化三鈷微米束狀陣列。
[0019]實施例4:將2.5mmol硝酸鈷和10 mmol尿素在蒸飽水中均勾超聲混合，將該溶液移入聚四氟內襯的高壓反應釜中，95°C反應8h，并將洗滌后的導電基底鎳網置于溶液中，反應完成后取出基底并進行水洗和真空干燥，得到四氧化三鈷的先驅體，將四氧化三鈷前軀體在空氣氣氛中350°C熱處理1.5h，得到四氧化三鈷微米束狀陣列。
[0020]實施例5:將2.5mmol硝酸鈷和15 mmol尿素在蒸飽水中均勾超聲混合，將該溶液移入聚四氟內襯的高壓反應釜中，95°C反應8h，并將洗滌后的導電基底鎳網置于溶液中，反應完成后取出基底并進行水洗和真空干燥，得到四氧化三鈷的先驅體，將四氧化三鈷前軀體在空氣氣氛中350°C熱處理1.5h，得到四氧化三鈷微米束狀陣列。
【主權項】
1.一種基于四氧化三鈷微米束狀陣列的超級電容器用電極材料，所述的超級電容器的電極體系包括導電集流體，電極活性材料層、電解液和隔膜，其特征在于，所述電極活性材料是直接生長在導電集流體鎳網上的四氧化三鈷納米片陣列。
2.根據權利要求1所述的基于四氧化三鈷微米束狀陣列的超級電容器用電極材料，其特征在于，所述的導電基底為三維多孔鎳網。
3.根據權利要求2所述的基于四氧化三鈷微米束狀陣列的超級電容器用電極材料，其特征在于，所述的四氧化三鈷微納米線陣列的形貌為多個卷曲的片層形成束狀，有規律的形成陣列結構，陣列高度為3_5Mffl。
4.一種基于四氧化三鈷微米束狀陣列的超級電容器用電極材料，其特征在于包括如下步驟:將2.5mmol鈷鹽和12.5mmol堿性沉淀劑在蒸餾水中均勻超聲混合，將該溶液移入聚四氟內襯的高壓反應釜中，100-130°C反應10h，并將洗滌后的導電基底鎳網置于溶液中，反應完成后取出基底并進行水洗和真空干燥，得到先驅體，將四氧化三鈷前軀體在空氣氣氛中進行熱處理，得到四氧化三鈷微米束狀陣列結構。
5.根據權利3所述的基于超級片層四氧化三鈷超級電容器用電極材料的制備方法，其特征在于沒有添加任何絡合劑、催化劑和溶劑。
6.根據權利3所述的基于四氧化三鈷納米線陣列的超級電容器用電極材料的制備方法，其特征在于導電基底的導電面向下置于反應釜中，且與底部的內角呈45°?75。。
【專利摘要】本發明公開了一種基于四氧化三鈷微米束狀陣列結構的超級電容器用電極材料，所述的超級電容器電極材料是由水熱法直接生長于導電基底鎳網上的四氧化三鈷微納米結構，本發明所提供的制備方法，無需溶劑，絡合劑和形貌控制劑，同時，通過選擇實驗條件實現了在3D鎳網上的自主裝生長過程，該制備過程操作簡便，產物形貌規整，由于電極材料直接生長在導電基底上，免去了導電劑和粘合劑的加入，使電極的阻抗大大降低，陣列結構電極材料增加了與導電基底的接觸作用，使電子傳輸加快，增大了電極的比容量。
【IPC分類】C01G51-04, H01G11-86, H01G11-46
【公開號】CN104701028
【申請號】CN201510135879
【發明人】韓丹丹, 徐鵬程, 金麗, 程振玉, 譚奧, 張濤
【申請人】吉林化工學院
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月27日