[发明专利]一种非晶磷酸盐材料的制备及作为超级电容器电极材料的应用

说明书

本发明公开了一种非晶磷酸镍材料的制备及作为超级电容器电极材料的应用。本发明以(NH₄)₂HPO₄和Ni(NO₃)₂·6H₂O为原料，采用简单的沉淀法在常温下直接制备非晶磷酸镍材料，制备方法简单，反应条件温和，制备时间短，效率高。得到的非晶磷酸镍材料比表面积很大，结构稳定。该材料作为超级电容器电极材料具有优异的电化学性能，比容量高，并具有优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种非晶磷酸材料的制备，本发明还涉及该非晶磷酸盐材料作为超级电容器电极材料的应用，属于电化学材料领域。

背景技术

当今社会，不可再生资源（石油、煤、天然气等）依然是人类目前使用的主要能源，据报导，在2050年之前，化石燃料仍然在能源使用方面占主导位置。但是人类在开发使用自然资源的同时，造成的环境污染破坏着我们赖以生存的栖息地。化石燃料的使用过程中，二氧化碳的大量排放造成全球变暖，两极冰雪融化，海平面上升，引发自然灾害。再者，有限的不可再生资源最终有一天枯竭，所以，研究开发清洁的能源代替不可再生能源是人类目前是头等大事。

现在研究的储能器件主要包括锂离子电池（LIBs）、太阳能电池以及超级电容器等。其中超级电容器又称为电化学电容器，是一种新型的储能器件，相比于LIBs，超级电容器表现出更高的功率密度、更快的充放电时间、更长的使用寿命（ 10000次）、在大电流充电/放电时具有更好的安全性、环境友好、使用温度范围广（为-40 ℃~80 ℃）等特点。因此，超级电容器可用于许多设备中，例如在混合动力汽车、便携式电子设备和备用电源方面的使用。大多数商用超级电容器是基于具有高比表面积材料（碳基材料）所制的双电层电容器（EDLC）。商业EDLC通常使用水系和有机系的电解质，其功率密度在3-4 kW·kg^-1之间。但是，商用EDLC的能量密度比LIBs低得多，因此不适合用于需要高能量密度的设备中。因此，众多学者结合具有高比表面积的碳基材料（例如活性炭，石墨烯和碳纳米管等）作为负极材料和具有高比容量的赝电容材料（例如金属氧化物，金属氢氧化物，金属硫化物，金属磷化物和金属磷酸盐）作为正极材料，来制造非对称超级电容器（ASC）。与水溶系中的EDLC相比，使用具有氧化还原的材料作为电极材料，可提高超级电容器的能量密度2~10倍，且具有更大的电势窗口（ 1.0 V）。但是，容抗特性好的RuO₂成本太高，传统赝电容材料（例如MnO₂，Co₃O₄和NiO）导电性差，使它们在超级电容器中的使用受到了极大的限制。因此，研究出比容量高、电化学性能良好的电极材料，对于当今社会的需求至关重要。

金属磷酸盐比容量大，通过发生法拉第反应而储存电能，属于赝电容。金属磷酸盐作为电极材料时，其结构稳定，循环性能好，但导电性差，这一点是所有金属氧化物或氢氧化物的缺点。将金属磷酸盐块状晶体通过剥离或其他方法，使其纳米化，或者生长在石墨烯、碳布等导电性良好的材料表面，这样不仅能缩小过渡金属磷酸盐的颗粒尺寸，还有可能使过渡金属磷酸盐从结晶状态转变成无定型态，这种无定形态是近程有序，远程无序的两相结构，这种结构的晶格里有较多的缺陷，有利于离子的扩散。而且随着充放电次数的增加，金属磷酸盐的电容量呈先增加后减小的趋势，刚开始电容量没有达到最大值，是因为所有活性物没有完全参与反应，随着充放电的进行，金属磷酸盐晶格会发生膨胀与收缩，这样使晶格界面间存在较大的应力而破裂，使磷酸盐粒子尺寸进一步减小，产生裂纹或缺陷，从而打开离子传播的通道，使更多的金属磷酸盐微粒参与反应，增加其电容量。尽管金属磷酸盐有较高的电容量，但对其应用于超级电容器的研究还比较少。磷酸镍盐因其颗粒尺寸非常小而被应用在染料方面，而微观尺寸小的金属化合物纳米颗粒常常具有独特的电化学性能而被应用于电极材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种非晶磷酸镍的制备方法；

本发明的另一个目的是提供该非晶磷酸盐作为超级电容器电极材料的应用。