[发明专利]一种超级电容器电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料学领域，涉及电化学技术，具体涉及一种超级电容器电极材料及其制备方法。

背景技术

进入21世纪后，能源与环境已成为全世界的两大焦点问题，能源枯竭、环境恶化等迫使寻求新型绿色能源成为必然。超级电容器作为一种绿色新型的储能器件，其具有比电池更高的功率密度和更长的使用寿命，比传统的电容器更高的能量密度，受到了广泛的关注。近年来，超级电容器已经成功的应用在运输工具、无线通讯设备、电网、消费电子产业等领域。

超级电容器，也称作电化学电容器，是一种介于充电电池和电容器之间的新型储能器件，具有电容和二次电池的特点。与常规静电电容器不同，超级电容器具有以下突出的优点：充电时间短（几分钟甚至几秒钟），能够提供更高的功率容量，良好的可逆性能(90-95%甚至更高)，长的循环寿命(>10⁵次)，可靠性好，成本低廉，单位体积或单位质量的电容量要比普通电容器高20-200倍。

超级电容器按照电极材料的属性可以分为碳材料、金属氧化物、高分子聚合物超级电容器等类型。碳材料虽然成本较低，容易获取，但其较低的理论容量限制了其广泛应用。而导电聚合物电极材料虽然电极导电性能好，比电容大，但其较差的循环性能也限制了其广泛应用。金属氧化物电极材料相对两者来讲，其兼具有双电层电容和法拉第赝电容，因此具有超高容量，加之性能稳定，使其成为电极材料的研究热点。以二氧化锰（MnO₂）为例，它作为一种被广泛应用的超级电容器材料，由于具有高的理论比容量（1370 F/g）、绿色环保和价格低廉等特点，被广泛的研究和应用。但是在特定集流体上沉积MnO₂时，集流体的微观结构会严重影响MnO₂活性物质的充分利用以及电解液的扩散。因此集流体的微观形貌对电极材料的性能影响重大。

为了改善上述问题，近期不少研究报道了在集流体表面上形成良好的微观结构，使所沉积的金属氧化物（如MnO₂）与电解液充分接触，从而提高其电化学性能的方案。特别是采用形成纳米阵列的方法，其中，研究较多的纳米阵列包括有纳米线、纳米管、碳纤维等。然而，这些已报道的纳米阵列具有较高的高宽比（大于8:1），当在上面沉积活性物质后很容易发生坍缩，将导致电解液无法进行有效的扩散、活性物质也无法充分得到利用。同时有些纳米阵列基本是依靠模板法制备的，模板法过程复杂，制作成本高，不利于实际应用。因此若所形成的纳米阵列具有特定结构，能使两者充分接触，同时制备过程简便快捷，将有利于问题的解决。

发明内容

鉴于现有超级电容器电极材料存在的问题，本发明提供了一种超级电容器电极材料及其制备方法，通过在镍尖锥阵列上沉积金属氧化物制作超级电容器电极材料的方式，制备出均匀的、具有高电化学性能和良好稳定性的超级电容器电极材料，为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

 一种超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：S1、以导电材料作为集流体，采用阴极电化学沉积方法在所述集流体表面生长镍尖锥阵列；及，S2、以步骤S1得到的表面具有镍尖锥阵列的集流体作为工作阳极，在该镍尖锥阵列表面通过阳极电化学沉积方法沉积金属氧化物纳米层，得到超级电容器电极材料。

其中，所述镍尖锥具有4-6:1的高宽比。

所述导电材料为铜片、钛片、不锈钢片、石墨片、碳纳米管纸、石墨烯纸或ITO膜；所述集流体的厚度为1-1500μm。

上述步骤S1中阴极电化学沉积方法的步骤为：

S1.1、将0.8-2.0mol/L的镍盐溶液和助剂进行充分混合，调节温度40-80℃及pH值3-5，得到混合物母液；所述助剂为H₃BO₃溶液和NH₄Cl溶液，或为H₃BO₃溶液和盐酸乙二胺溶液；所述镍盐、H₃BO₃和NH₄Cl的摩尔比为1：0.2-1.2：0.5-2.0，所述镍盐、H₃BO₃和盐酸乙二胺的摩尔比为1：0.2-1.2：0.5-2.0；

S1.2、以泡沫镍作为第一工作阳极，所述集流体作为第一工作阴极，插入所述混合物母液中，在所述第一工作阳极与第一工作阴极间通入电流，进行电化学沉积；

S1.3、 将步骤S1.2沉积后的集流体取出，用去离子水冲洗，干燥，获得的表面具有镍尖锥阵列的集流体。