本發(fā)明屬于超級(jí)電容器的正極電極材料，本發(fā)明涉及一種超級(jí)電容器正極電極材料及其制備方法。具體涉及一種超級(jí)電容器正極氧磷化鈷電極材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、超級(jí)電容器是一種全新的環(huán)保能量存儲(chǔ)設(shè)備，具有出色的能量輸出能力、長時(shí)間使用壽命、快速充電和放電速度等優(yōu)勢。近年來，超級(jí)電容器的研究不斷加強(qiáng)，相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，市場前景廣闊。然而，超級(jí)電容器存在能量密度較低的缺陷。一個(gè)有效的解決方法是研究和開發(fā)高電導(dǎo)和良好電化學(xué)活性的電極材料。超級(jí)電容器是一種電化學(xué)裝置，可用于儲(chǔ)存能量，其工作原理與傳統(tǒng)化學(xué)電池不同。根據(jù)存儲(chǔ)電荷的基本工作原理，超級(jí)電容器可以分為雙電層電容和贗電容。雙電層電容器是由于電極/電解質(zhì)界面處陰陽離子的吸附而產(chǎn)生的。雙電層電容器通過物理過程釋放和儲(chǔ)存電荷，具有功率密度高、良好的循環(huán)性能和倍率能力，但是其能量密度并不高。贗電容效應(yīng)最初由法拉第提出，通過電極表面的迅速氧化還原反應(yīng)來高效儲(chǔ)存電能。贗電容器的電極材料因?yàn)榫哂锌焖俜ɡ谔卣?，可以表現(xiàn)出更高的能量密度。

2、電極材料是超級(jí)電容器電化學(xué)性能的主要影響因素。常用的超級(jí)電容器電極材料主要有三類：碳基材料、過渡金屬化合物(氧化物、硫化物等)和導(dǎo)電聚合物材料。這些電極材料都各有優(yōu)缺點(diǎn)：碳基材料的循環(huán)穩(wěn)定性好、工藝簡單、成本低，但比容量低；過渡金屬化合物材料的比容量大大高于碳材料，但成本較高、壽命短且有一定毒性；導(dǎo)電聚合物材料具有良好的電子導(dǎo)電性、小內(nèi)阻及高比容量，但在循環(huán)過程中容易發(fā)生體積膨脹和收縮，循環(huán)穩(wěn)定性差。因此，開發(fā)新的具有多方面優(yōu)勢的電極材料對(duì)于超級(jí)電容器的開發(fā)來說具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、由于制備的方法存在差異，合成出的電極材料在外觀上會(huì)有所差異，這個(gè)因素嚴(yán)重影響材料的電化學(xué)性能。盡管過渡金屬化合物具有很高的理論比電容，但是往往由于外觀形貌導(dǎo)致活性位點(diǎn)較少，嚴(yán)重影響了其電化學(xué)儲(chǔ)能效果、并不能達(dá)到理論效果。導(dǎo)致具體應(yīng)用效果很差。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種超級(jí)電容器正極材料及其制備方法，具體是一種氧磷化鈷超級(jí)電容器電極材料及其制備方法。

2、本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種氧磷化鈷超級(jí)電容器正極材料及其制備方法，包括以下步驟：

4、步驟(1)zif-67前驅(qū)體的制備：

5、將co(no3)2·6h2o?0.004～0.006mol和c4h6n20.0046～0.006mol分別溶于無水甲醇中，將c4h6n2溶液加入粉紅色的co(no3)2溶液中，磁力攪拌反應(yīng)2～4h。用離心機(jī)進(jìn)行離心分離5～10分鐘得到紫色產(chǎn)物zif-67前驅(qū)體，然后用蒸餾水和無水乙醇各洗滌3次，在60℃的下干燥12h，備用。

6、步驟(2)co3o4-12的制備：

7、將步驟(1)制備好的zif-67前體放入電加熱管式爐中，在與空氣接觸的環(huán)境中進(jìn)行煅燒。煅燒后冷卻至室溫。得到由zif-67衍生的十二面體co3o4-12。

8、步驟(3)氧磷化鈷材料的制備：

9、將0.1g的co3o4-12和0.5～1g的次亞磷酸鈉分別放置在兩個(gè)瓷舟中，然后將它們放入電加熱管式爐中，在氮?dú)夥諊幸?℃·min-1的速率加熱。當(dāng)溫度達(dá)到350℃后，保持2～4小時(shí)。冷卻至室溫，得到氧磷化鈷材料。

10、進(jìn)一步的，所述步驟(1)磁力攪拌速率為100～300r/min；離心機(jī)轉(zhuǎn)速4000～10000r/min。

11、進(jìn)一步的，所述的步驟(2)中管式爐中煅燒條件溫度為350～400℃，升溫速度：5℃/min，保溫2h。

12、進(jìn)一步的，所述的步驟(3)中氮?dú)夥諊械獨(dú)饬魉?0-200ml/min。氧磷化鈷電極材料中，氧、磷與鈷的近似原子比為3:2:1，為微納米級(jí)類蜂窩狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)量直徑為0.1～0.2um。

13、所述電加熱管式爐不限制型號(hào)。

14、本發(fā)明還請求保護(hù)上述制備方法制備的正極材料在電化學(xué)上的應(yīng)用，具體為氧磷化鈷材料與乙炔炭黑、聚四氟乙烯乳液按照8：1：1的質(zhì)量比混合均勻覆蓋在泡沫鎳(nf)上，利用壓片機(jī)對(duì)泡沫鎳進(jìn)行壓片即得氧磷化鈷/nf電極。

15、氧磷化鈷優(yōu)選質(zhì)量為0.1～0.15g，得到氧磷化鈷泡沫鎳電極片(氧磷化鈷/nf)，其規(guī)格為1cm×1cm。

16、本發(fā)明基于co3o4納米材料，利用p原子進(jìn)入過渡金屬晶體內(nèi)，改變金屬的性能來提高材料的電化學(xué)性能。通過兩次低溫煅燒法，制備出一種新型的氧磷化鈷材料。以泡沫鎳為基底，并在泡沫鎳上制備出電極片。然后利用循環(huán)伏安法(cv)、恒電流充電(gcd)和交流阻抗(eis)進(jìn)行測試該材料的化學(xué)性能。本發(fā)明使超級(jí)電容器具有較高的能量密度和功率密度，是提高超級(jí)電容器電化學(xué)性能的成功策略。電極材料的外觀形貌的改善是提高電化學(xué)性能的重要因素之一。本發(fā)明旨在探究通過合理設(shè)計(jì)電極材料控制材料形貌，利用低溫磷化法為制備高容量儲(chǔ)能材料提供了一條新方法。

17、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

18、(1)本發(fā)明制備的材料本身具有獨(dú)特的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，能提供電化學(xué)充放電過程較多的活性位點(diǎn)及提供一個(gè)緩沖的空間來解決充放電過程中材料的體積膨脹。

19、(2)本發(fā)明合理設(shè)計(jì)電極材料控制材料形貌，利用p原子進(jìn)入過渡金屬晶體內(nèi)，改變金屬的性能來提高材料的電化學(xué)性能。在較低的溫度(350-400℃)下通過兩次低溫煅燒法，制備出一種新型的氧磷化鈷材料。方法科學(xué)合理、安全易行、設(shè)備簡單、成本低，產(chǎn)品形貌和結(jié)構(gòu)可控，適用于氧磷化鈷電極材料材料的批量生產(chǎn)。

20、(3)本發(fā)明中制備的材料cop2o3用作正極材料，在超級(jí)電容器領(lǐng)域展現(xiàn)出的電化學(xué)性能較為優(yōu)異，表現(xiàn)出較高的比電容、極佳的循環(huán)穩(wěn)定性及較小的內(nèi)阻。在0.5a·g-1的電流密度下，比電容達(dá)到359.31f·g-1；在10a·g-1電流密度下，經(jīng)過2000次循環(huán)，該材料仍具有初始比電容的93.81％保持率；等效串聯(lián)電阻rs僅為0.66ω。本發(fā)明為材料表觀形貌對(duì)超級(jí)電容器電極性能的影響，以及設(shè)計(jì)開發(fā)高性能的超級(jí)電容提供了新的思路。

技術(shù)特征：

1.一種氧磷化鈷超級(jí)電容器正極材料制備方法，其特征是，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種氧磷化鈷超級(jí)電容器正極材料制備方法，其特征是，所述步驟(1)磁力攪拌速率為100～300r/min。

3.如權(quán)利要求1所述的一種氧磷化鈷超級(jí)電容器正極材料制備方法，其特征是，離心機(jī)轉(zhuǎn)速4000～10000r/min。

4.如權(quán)利要求1所述的一種氧磷化鈷超級(jí)電容器正極材料制備方法，其特征是，所述的步驟(2)中管式爐中煅燒條件溫度為350～400℃，升溫速度：5℃/min，保溫2h。

5.如權(quán)利要求1所述的一種氧磷化鈷超級(jí)電容器正極材料制備方法，其特征是，所述的步驟(3)中氮?dú)夥諊械獨(dú)饬魉?0-200ml/min。

6.如權(quán)利要求1所述的一種氧磷化鈷超級(jí)電容器正極材料制備方法，其特征是，所述步驟(1)中用蒸餾水和無水乙醇各洗滌3次，在60℃的下干燥12h。

7.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的一種氧磷化鈷超級(jí)電容器正極材料制備方法制備的正極材料在電化學(xué)上的應(yīng)用。

8.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征是，具體為氧磷化鈷材料與乙炔炭黑、聚四氟乙烯乳液按照8：1：1的質(zhì)量比混合均勻覆蓋在泡沫鎳上，利用壓片機(jī)對(duì)泡沫鎳進(jìn)行壓片即得氧磷化鈷/nf電極。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于超級(jí)電容器的正極電極材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種超級(jí)電容器正極電極材料及其制備方法。本發(fā)明基于Co3O4納米材料，利用P原子進(jìn)入過渡金屬晶體內(nèi)，改變金屬的性能來提高材料的電化學(xué)性能。通過兩次低溫煅燒法，制備出一種新型的氧磷化鈷材料。以泡沫鎳為基底，并在泡沫鎳上制備出電極片。本發(fā)明使超級(jí)電容器具有較高的能量密度和功率密度，是提高超級(jí)電容器電化學(xué)性能的成功策略。電極材料的外觀形貌的改善是提高電化學(xué)性能的重要因素之一。本發(fā)明旨在探究通過合理設(shè)計(jì)電極材料控制材料形貌，利用低溫磷化法為制備高容量儲(chǔ)能材料提供了一條新方法。

技術(shù)研發(fā)人員：鐘存貴,謝留雨,華亞楠,嚴(yán)小梅,高蓉,段敏
受保護(hù)的技術(shù)使用者：黃淮學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30