[发明专利]一种制备复合材料的方法、复合材料及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料，更具体地涉及一种制备复合材料的方法、复合材料及其应用。

背景技术

随着气候变暖和环境污染日益加剧，人们逐渐开始寻求化石能源之外的可再生的新能源，如太阳能、风能和生物能等，这也就成为全世界的研究热点。高性能的储能设备则是人类社会有效利用这些可再生的新能源的前提，因而备受关注。

超级电容器作为一种新型的储能元件，与传统电容器相比具有更高的能量密度，与传统电池相比具有更高的功率密度，同时还具有充电时间短、使用寿命长和维护成本低等优点，应用前景十分广阔。

根据超级电容器储存能量的原理不同，可以分为三类：基于多孔炭电极和电解液界面双电层储能的双电层电容器，基于金属氧化物和导电聚合物表面的氧化还原反应储能的法拉第准电容器，以及上述二者兼有的混合电容器。常用作超级电容器的电极材料包括碳材料和金属氧化物。但是，碳材料作为电极材料的比电容较低，而金属氧化物作为电极材料的稳定性较差。

发明内容

本发明旨在提供一种制备复合材料的方法，通过该方法获得的复合材料同时具有较高的比电容和较好的稳定性。

本发明提供一种制备复合材料的方法，包括以下步骤：S1，提供具有三维多孔结构的泡沫石墨；S2，将所述泡沫石墨加入到氢氧化钾溶液中进行活化，洗涤干燥后得到活化泡沫石墨；S3，将所述活化泡沫石墨加入到混酸中在超声下进行酸化，洗涤干燥后得到酸化泡沫石墨；以及S4，将所述酸化泡沫石墨加入到硫酸镍溶液中混合形成均匀悬浮液，将沉淀剂缓慢滴加到所述悬浮液中，水热处理后洗涤干燥得到泡沫石墨和氢氧化镍纳米线的复合材料。

在本发明中，泡沫石墨是一种石墨化的多孔碳材料，具有良好导电性和高比表面积，它作为电极材料应用于超级电容器可利用电极和电解质间形成的界面双电层实现能量储存，不发生电化学反应，因此具有良好的循环稳定性。但是，泡沫石墨被发现其单电极比电容较低，无法提供高能量密度。氢氧化镍是一种有潜力的电极材料，具有价格低廉，化学氧化还原特性稳定，理论比电容高等优势。但是，氢氧化镍被发现其循环性能较差。本发明选择氢氧化镍的一维纳米材料，即氢氧化镍的纳米线结构，其在充放电过程中能有效防止氢氧化镍的团聚，缓解体积电极材料膨胀，维持材料的稳定性，另外，在充放电循环过程中，这种一维纳米结构使得氢氧化镍在横向(直径)和纵向(长度)两个方向发生微小的变化，有利于释放产生的应力，使材料在循环过程中获得更好的结构稳定性。本发明将具有较高的结构稳定性的氢氧化镍纳米线，与高比表面积的多孔泡沫石墨结合成具有三维多孔结构的复合材料，充分利用两者的各自优势及其协同增效作用，得到一种具有高比电容和优良的循环稳定性的超级电容器电极材料。

所述步骤S1包括：在管式炉中焙烧混合的蔗糖和氯化铵，从而提供所述泡沫石墨。应该理解，通过其他方式制备泡沫石墨用于本发明中也是可行的，只要所提供的泡沫石墨具有三维多孔结构即可。

所述蔗糖和氯化铵的摩尔比为0.5-2.5，焙烧温度为1000-1500℃。在该步骤中，蔗糖经过高温焙烧碳化形成泡沫石墨。优选地，该焙烧过程在氩气气氛下进行2-5小时。

在所述步骤S2中，所述泡沫石墨和所述氢氧化钾的质量比为0.1-1，优选0.1-0.5。应该理解，在此步骤中，其他比例的泡沫石墨和氢氧化钾也是可行的，只要能够造孔和增大比表面积即可。所述氢氧化钾溶液的浓度为5-10mol/L。优选地，该活化过程进行10-30小时。

在所述步骤S3中，所述混酸为硫酸和硝酸，其中，硫酸与硝酸的体积比为3:1-1:3。应该理解，在此步骤中，其他的混酸也是可行的，只要能够引入含氧官能团，从而增加氢氧化镍纳米线的附着位置即可。优选地，该酸化过程进行2-5小时。

在所述步骤S4中，所述沉淀剂为氢氧化镍、氢氧化钠或尿素。应该理解，其他的能够提供氢氧根的沉淀剂也可用在本发明中。

在所述步骤S4中，在剧烈搅拌下将沉淀剂缓慢滴加到所述悬浮液中。通过该剧烈搅拌，使得沉淀剂与硫酸镍均匀混合发生反应。

在所述步骤S4中，所述酸化泡沫石墨和所述硫酸镍的质量比为0.02-0.1。优选地，所述酸化泡沫石墨和所述硫酸镍的质量比为0.03-0.82。