[发明专利]一种基于碳材料的金属氧化物电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于碳材料的金属氧化物电极，该电极包含由水热合成法制备的NiCo₂O₄/GO复合材料以及由水热合成法制备的NiFe₂O₄/CNTsCOOH复合材料，并将两种复合材料结合；结合方式由NiFe₂O₄/CNTsCOOH复合材料插入到NiCo₂O₄/GO的片层之间，形成三维介孔结构；以及制备NiCo₂O₄/GO复合材料的方法和制备NiFe₂O₄/CNTsCOOH复合材料的方法。该制备方法所制得的电极引入高导电性的碳材料，与之形成杂化的复合材料，以增强材料的导电性和结构稳定性，实现超级电容倍率性能和循环寿命的提高，整体功能完善，实用性强。

技术领域

本发明涉及电极制造技术领域，更具体地说，它涉及一种基于碳材料的金属氧化物电极及其制备方法。

背景技术

超级电容器是一种新型的储存能量的装置，它具有较高的功率密度，并且因为充电时间短、循环寿命长和绿色环保等优点而被广泛地应用于储能设备、动力电源装置以及诸多电子设备上。按照储能机理的不同，我们主要将超级电容器分为两类：一类是双电层电容器(EDLCs)，它以碳材料作为电极材料，通过在电极和电解液之间形成一层Helmholtz层，以静电的形式来储存电能；另一类是法拉第电容器，又称准电容器或赝电容器，它以金属氧化物和导电聚合物为电极材料，通过氧化还原反应，以电化学的方式储存电能。有别于相对较为传统的化学电源，超级电容器是介于传统电容器与电池之间的一种电源，它具备优异的脉冲充放电性能，功率密度高于蓄电池，能量密度又高于传统电容。

超级电容器通常包括双电极、电解质、集流体、隔离物这四个部件，其中电极材料的结构与性能是决定电容器的某些主要性能参数的关键因素。作为超级电容器的电极材料，不但要求它要具有较高的比容量，还应该具备较低的内电阻，以满足超级电容器大电流、快速充放电的要求。同时，要求电极材料能够较为容易地在电极与电解质的界面上形成双电层电容或者是法拉第赝电容，并且对于它本身，要具有适当的化学稳定性、力学稳定性和对电子、离子的良好导电性。常用的电极材料有碳基材料电极、金属氧化物电极和导电聚合物电极。

(1)碳电极

碳材料本身的化学性质非常稳定，并且具有良好的耐腐蚀性能，对于电和热的传导能力优异，是碳材料中应用最为广泛的电极材料。优异的超级电容器碳电极材料需要在对孔径散布、表观密度和导电率等性能进行统筹的同时考虑质量比容量、体积比容量，以求大大提高电容器的综合性能。材料表面除了能产生Helmholtz层外，最好能发生赝电容反应。目前，被广泛研究的超级电容器碳电极材料中，碳纳米管和石墨烯是具有一定代表性的。

碳纳米管(CNT)是由呈六边形排列的碳原子构成的中空圆管，具有较大的比表面积，是一种具有特殊结构的一维量子材料。另外，构成碳纳米管的C为sp杂化，三个杂化键成环连接，一般构成六元环，剩下那个杂化键能连接可以发生赝电容反应的官能团(如羟基、羧基等)。所以，碳纳米管不但可以构成双电层电容，而且还能充分利用赝电容储能原理。其中，管长短、管径小、石墨化程度较低的多壁碳纳米管更加适合作为双电层电容器的电极材料。现有技术中较早的报道了将碳纳米管用作超级电容器电极材料的研究工作，他们把多壁碳纳米管制成了薄膜电极，在硫酸水溶液中，其比电容能够达到49～113F/g，其功率密度超过了8kW/kg。目前，碳纳米管还不能工业化生产，相关技术还不成熟，因此价格很高。另外，它在超级电容器上的使用也正处于研究阶段，离工业化生产还有一段较长的距离。