[发明专利]一种N掺杂多孔碳复合中空NiCo2

说明书

本发明涉及活性碳电极材料技术领域，且公开了一种N掺杂多孔碳复合中空NiCo₂O₄电极材料，相对于单一的多孔碳电极材料，复合材料具有更低的导电性阻率以及更高的比电容，在多孔碳电极材料中引入NiCo₂O₄，能够进一步提升多孔碳电极材料的导电速率，NiCo₂O₄作为电极材料，在形成复合材料时，有效降低导电阻率，同时，复合材料之间形成的网状结构，会进一步提升电子传导速率，多孔碳材料为体积膨胀提供了一定的缓冲空间，且NiCo₂O₄材料在多孔碳结构中均匀生长也避免了的颗粒间的团聚行为，多孔与中空的特殊结构赋予复合材料更高的比表面积，氮原子的掺杂为复合材料电极提供了额外赝电容，同时，提升了复合材料对电解质的润湿性。

技术领域

本发明涉及活性碳电极材料技术领域，具体为一种N掺杂多孔碳复合中空NiCo₂O₄电极材料的制备及应用。

背景技术

在过去的几十年里，随着便携式电子设备以及电动汽车的需求不断增加，对电源的耐用性、使用安全和轻便等性能提出了更高的要求，为了解决这个问题，超级电容器被选为最有希望研究和开发的候选产品之一，与电池相比，超级电容器因其配置简单、循环稳定性长、库仑效率高、充放电速度快等优点而受到越来越多的关注，而基于电荷存储机制，电容器一般分为两种类型：电化学双层电容器和氧化还原反应伪电容器，电化学双层电容器仅通过电解质离子在电解液/电极界面的吸收和解吸来存储电能，而氧化还原反应伪电容器的工作原理是在其界面处一薄层活性电极材料与电解质离子之间的氧化还原反应，氧化还原反应伪电容器通常比电化学双层电容器提供更高的能量密度，而电极材料的设计是高性能器件开发中的核心问题之一，多孔碳由于其优秀的特性(例如高比表面积，出色的电子导电性和良好的化学稳定性)而成为超级电容器中使用最广泛的电极材料。

作为超级电容器的电极材料，多孔碳材料除了高表面积外，还应注意大孔与微孔的孔隙率问题，因为大孔可以提供快速的电解质转移途径，而微孔将提供高表面积，尽管已经制备的多孔碳材料具有良好的性能，但是作为电容器材料仍具有比容量小的缺点，为此，科研者们通过将杂原子掺杂到碳基体上来提升碳材料的电容，NiCo₂O₄由于具有较高的理论电容以及良好的耐腐蚀性，被认为是一种有潜力的伪电容材料，而且其假电容性能源于在电化学氧化还原活性位点的连续电子转移，且伴随着氧化物结构中OH^-到O^2-位点的转化，因此，作为电极材料时，能够显著增加了比电容量，但NiCo₂O₄电极材料的导电性差，在充放电过程中体积膨胀以及收缩严重，易造成结构崩塌，使得电化学特性的衰减速率增加，不利于电极的使用。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种N掺杂多孔碳复合中空NiCo₂O₄电极材料的制备及应用，解决了单一多孔碳电极材料的比电容小以及NiCo₂O₄电极材料的体积效应的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种N掺杂多孔碳复合中空NiCo₂O₄电极材料，所述电极材料的制法包括以下步骤：

(1)将纤维素超声分散在过硫酸铵溶液中，进行改性反应，其中，纤维素和过硫酸铵之间的质量比为10∶200-300，反应的温度为50-80℃，反应的时间为80-120min，待反应结束后，对悬浮液进行离心洗涤，得到的悬浮液通过透析袋进行透析，直至pH不变，然后稀释悬浮液至6-10倍，并使用超声进行处理，冷冻干燥后，得到羧酸化纤维素；