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2024-04-03 12:14:40

一种NiCo2O4/石墨烯水凝胶/泡沫镍复合电极的制备及其高性能超级电容器应用的制作方法

本发明属于材料制备技术领域,具体涉及一种nico2o4/石墨烯水凝胶/泡沫镍复合电极及其制备方法与高性能超级电容器应用。

背景技术:

超级电容器作为能量存储器件的一个重要分支,兼具传统介电电容器和电池的优点,广泛应用于混合动力电动车、便携式电子器件和工业能源管理等领域。由于超级电容器具有功率密度高,循环寿命长和维护方便等特点,大量的研究工作都在致力于开发性能优异的超级电容器电极材料。其中,nico2o4是一种具有尖晶石结构的双过渡金属氧化物,它具有丰富的氧化还原态,超高的理论电容,丰富的储量和对环境友好等优点,被认为是赝电容超级电容器电极最佳备选材料之一。然而,其本征导电性低和脆性大等缺点也限制了超级电容器的倍率性能和循环稳定性的改善。为了解决上述问题,一种常用的方法是将纳米化的nico2o4与三维的导电基底如泡沫镍或碳布复合。这些三维基底不仅提供了好的导电性,而且与nico2o4结合牢固,避免了粘结剂和额外集流体的使用,有助于提高电极的电化学性能。但是这种方法的主要问题在于,目前的三维基底只能提供有限的比表面来生长nico2o4,从而限制了nico2o4的负载量,降低了电极的面积比电容。

三维石墨烯作为一种独特的碳结构材料,具有大的比表面积、有序的多孔结构、高的力学强度、快的传质和电子传输,在双电层电容器领域得到广泛研究。这些优异的性能也使它成为一个理想的基底来构筑超级电容器的复合电极。近来,已有文献报道在化学气相沉积(cvd)三维石墨烯/泡沫镍骨架上或者电沉积石墨烯/泡沫镍基底上生长nico2o4纳米结构。在这些电极结构中,三维石墨烯几乎只是复制了泡沫镍的骨架结构,仍然有许多泡沫镍间隙空间没有利用,导致用于生长nico2o4的基底表面积较小。而且,在这些工作中,nico2o4的制备都是采用传统的镍钴双氢氧化物前驱体的热转变,制备过程复杂、耗时、成本高。因此,亟待寻找一种简单易行、低温、经济的方法来批量制备nico2o4,并使其直接生长在高比表面的石墨烯/泡沫镍基底上,这样制备出来的电极具有高的体积利用率,也有利于提高超级电容器的性能。

技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种nico2o4/石墨烯水凝胶/泡沫镍复合电极,同时提供其制备方法与高性能超级电容器应用是本发明的又一发明目的。

基于上述目的,本发明采取如下技术方案:

一种nico2o4/石墨烯水凝胶/泡沫镍复合电极的制备方法,包括以下步骤:

1)导电基底的制备:将1.5~5mg/ml的氧化石墨烯水溶液置于水热反应釜中,将泡沫镍浸入其中,密封反应釜,在120~220℃反应6~12h得到具有较大比表面积的石墨烯水凝胶/泡沫镍(gf)复合基底;

2)通过一步电化学沉积将nico2o4纳米片生长在步骤1)所得石墨烯水凝胶/泡沫镍复合基底骨架上即可。

步骤1)中,氧化石墨烯溶液的浓度为2mg/ml;反应温度为180℃,反应时间为12h。

步骤1)中,泡沫镍在使用前依次用丙酮、乙醇、水清洗30min。

步骤2)中,电化学沉积的具体方法为:采用三电极体系,其中,工作电极和对电极分别是gf和铂片,参比电极是ag/agcl,电解液包含0.002~0.01m的nicl2·6h2o,0.004~0.02m的cocl2·6h2o和0.05~0.2m的na2so4,采用动电位循环扫描进行电沉积,电位扫描的顺序及范围是0→-1.2→0.7→0v,扫描速率为10~100mv/s,扫描圈数是10~200圈;电沉积之后,用去离子水冲洗电极即可。

利用所述的方法制备的nico2o4/石墨烯水凝胶/泡沫镍复合电极。

所述nico2o4/石墨烯水凝胶/泡沫镍复合电极材料在超级电容器中的应用。

与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:

利用内嵌有泡沫镍的石墨烯水凝胶作为高比表面的导电基底,通过一步电沉积法直接生长nico2o4纳米片,无需进一步退火。所制备的nico2o4/石墨烯水凝胶/泡沫镍(ngf)复合材料具有良好的分级开放多孔结构,能够实现快速的电子和离子传输,以及大的电极-电解液作用界面,使得ngf电极具有良好的电化学电容性能。在三电极的测试系统中,在2ma/cm2下,电容可以达到3.84f/cm2,并且在50ma/cm2时保有初始电容的71.6%。