[发明专利]泡沫镍自反应制备二氧化锰/氢氧化镍复合纳米片的方法及其超级电容器应用

说明书

本发明专利涉及泡沫镍自反应制备二氧化锰/氢氧化镍复合纳米片的方法及其作为超级电容器电极材料的应用。本方法利用泡沫镍与高锰酸钾溶液直接反应获得二氧化锰和氢氧化镍的复合纳米片，在此反应中泡沫镍将高锰酸钾还原成二氧化锰，同时自身本被氧化成氢氧化镍，得到一种复合纳米片。这些纳米片垂直生长在泡沫镍的表面形成一层均匀的薄膜。在此反应中，泡沫镍同时作为还原剂和集流体，电极制备可一步完成。该方法工艺简单，成本低廉，可大面积制备，获得的复合电极材料具有很高的比电容和优越的循环稳定性，有很好的应用前景。

技术领域

本发明专利涉及利用泡沫镍自反应制备二氧化锰/氢氧化镍复合纳米片的方法及其超级电容器应用，属于新材料技术领域。

背景技术

超级电容器又称电化学电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件。与传统的电容器相比，超级电容器具有更高的比电容量，其比电容量为传统电容器的十倍以上。^[1]与电池相比，超级电容器具有更高的比功率，可瞬间释放特大电流，具有充放电时间短、充放电效率高、循环使用寿命长、无记忆效应以及基本无需维护等优点，^[1,2]它填补了传统电容器和电池这两类储能元件之间的空白，并有可能进一步提高能量密度而扩大应用范围，在移动通讯、信息技术、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有极其重要和广阔的应用前景，已成为世界各国研究的热点，各国纷纷制定近期目标和远景发展计划，将其列为重点战略研究对象。

从电极材料和能量存储原理的角度，超级电容器可以分为双电层超级电容器和赝电容超级电容器。^[2,3]双电层电容器是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储电荷，存储电量的多少依赖于电极材料比表面积的大小，因而其电极常采用具有大比表面积的碳材料，如活性炭、石墨烯和碳纳米管等。^[2,4-7]这些碳材料一般通过高温热处理或高温气相反应制备，工艺复杂，设备要求较高，能耗大，因而成本较高。双电层超级电容器具有功率密度大的优点，但其比电容和能量密度较小，因而限制了其应用范围。^[2]赝电容器是利用在电极材料表面或近表面层发生的快速可逆的氧化还原反应实现储电，与双电层超级电容器相比赝电容器可以获得高得多的比电容和能量密度，因此具有很好的应用前景。^[3]赝电容超级电容器电极材料主要使用过渡金属氧化物和导电聚合物，如二氧化锰、氧化镍、氧化钴、聚苯胺和聚吡咯等。^[3,8-12]其中，二氧化锰因其具有很高的理论比电容(～1370F/g)、高电压、储量丰富、环境友好及低成本等优点而受到人们的格外重视。^[11]目前制备二氧化锰电极材料的方法主要有水热法、电沉积法及化学还原法等。^[13-16]水热法和电沉积法制备电极材料过程较为复杂，设备要求较高，大批量生产困难较大，使得应用成本偏高。化学还原法制备出的赝电容氧化物材料一般是粉末形式，制备成电极需要制浆、涂膜、干燥、压实等过程，工艺繁琐，成本高。同时制浆过程中需要加入粘结剂和导电剂，从而导致电容器性能的下降。虽然电沉积和水热等方法也可以在集流体上直接沉积氧化物材料从而避免上述制备电极的繁琐工艺，但其沉积面积较小，同时需要专业设备，成本较高，不利于大规模应用。

现有技术CN102709058A提供了一种电化学沉积法制备超级电容器二氧化锰-氢氧化镍复合电极材料的方法，是以泡沫镍、镍片或钛片为极板在高锰酸钾和硝酸镍混合水溶液电解液中进行阴极电化学沉积，沉积后的极板表面用去离子水清洗、晾干，即获得以泡沫镍、镍片或钛片为基底、表层具有二氧化锰-氢氧化镍复合薄膜的复合电极材料。该专利没有提供沉积面积的信息。该种方法缺点表现在如下四个个方面：1)需要使用电镀设备，增加了设备成本；2)电化学沉积生产过程中需消耗大量电能，增加了生产成本，同时不符合绿色生产的时代要求；3)所沉积的电极材料的面积受限于所使用电镀设备的功率，难以自由扩大沉积面积；4)所制备的电极材料循环500次的电容保持率仅为82.8％，远不能满足超级电容器应用的寿命要求。

目前，建立适合工业化生产的高性能超级电容器的简单制备工艺，降低生产成本和能源消耗，对于超级电容器产业的进步具有重要意义。