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CN103280340A - 一种镍基电极材料及其制备方法 - Google Patents

一种镍基电极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于超级电容器电极材料领域，公开了一种镍基电极材料及其制备方法，用含氟的电解液对镍片进行阳极氧化处理，阳极氧化电压以10mV/s～500mV/s的速率逐步由0V增加到3～6.5V，然后保持该电压15～60分钟，取出镍片清洗、干燥后即制得镍基电极材料；所述电解液包含质量分数0.5wt%～2wt%的氟化物、质量分数70wt%～85wt%的磷酸，余量为水。本发明的特点是：1）利用阳极氧化法生成的镍基膜与镍片结合牢固且有良好的导电性；2）本发明不需另加导电剂或粘结剂，简化了超级电容器的制备工艺，降低了制备成本；3）该材料在大的充放电流密度下依然有很高的比电容。

Description

一种镍基电极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于超级电容器电极材料领域，涉及一种镍基电极材料的制备方法——阳极氧化法。
背景技术
超级电容器（又名电化学电容器）是一种能量密度和功率密度介于传统电容器和二次电池的新型储能元件。由于具有高功率和长循环寿命等优点，超级电容器在电子设备和新能源领域得到了大量的应用。根据电极材料储能机理的不同，可以将超级电容器分为：1）双电层电容器（Electric Double Layer Capacitor，EDLC），利用电极和电解质界面的双电层来存储电荷；2）赝电容器（Redox Capacitor），利用电化学活性物质在电极的二维或者准二维空间发生吸附、脱附或者电化学氧化还原反应而产生电容。在超级电容器的电极材料中，炭基材料主要基于双电层电容来存储能量，而金属氧化物和导电聚合物主要基于法拉第赝电容或准法拉第赝电容来存储能量。炭基材料虽然具有大的比表面积、低成本和低内阻等优点，但是其能量密度较低，应用中受到一定的限制。金属氧化物的理论比电容远高于炭基材料，其中又以RuO2的电化学性能最为出众。然而钌成本太高且具有毒性，严重地影响了其大规模的应用。在寻找替代钌的电极材料中，镍基材料由于具有成本低、来源丰富、理论比电容量大的优点而受到广泛关注。
材料的制备方法是影响电极性能的重要因素之一。通常超级电容器的镍基电极有两类制备方法。第一类利用沉淀法、溶胶凝胶法、水热法或热分解法等先制备镍基纳米颗粒，然后把纳米颗粒与导电剂、粘结剂均匀混合，最后再把混合物涂压于集流体（不锈钢、泡沫镍等）上。这种制备方法复杂、耗时，且所制备电极的功率密度受到不导电的粘结剂的限制。第二类制备方法利用气相沉积、化学或电化学等手段直接在集流体上沉积镍基材料。这种方法制备的电极中镍基活性材料与集流体的结合力较弱，反复充放电中活性材料极易从集流体上脱落下来，降低了超级电容器的循环寿命。
发明内容
本发明目的之一是提供一种超级电容器镍基电极材料的制备方法，该制备工艺简单，快速，不用添加任何导电剂或粘结剂。
本发明另一目的是提供上述方法制备的电极材料，其具有高的比电容和良好的导电性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种镍基电极材料的制备方法，用含氟的电解液对镍片进行阳极氧化处理，阳极氧化电压以10mV/s～500mV/s的速率逐步由0V增加到3～6.5V，然后保持该电压15～60分钟，取出镍片清洗、干燥后即制得镍基电极材料；所述电解液包含质量分数0.5wt%～2wt%的氟化物、质量分数70wt%～85wt%的磷酸，余量为水。
优选地，所述阳极氧化电压首先以10mV/s～100mV/s的速率逐步由0V增加到3.5～6V。
优选地，所述磷酸的质量分数为80wt%～85wt%，氟化物的质量分数为0.5wt%～1.5wt%。
优选地，所述电解液的含水量小于20wt%。
优选地，所述电解液的pH值调节至0.5～2.5。
优选地，所述氟化物为氟化铵、氟化钠或氟化钾。
优选地，所述电解液还包含添加剂。
优选地，所述添加剂为EDTA和柠檬酸钠中的一种或两种。
优选地，所述电解液中EDTA的质量分数为0.1wt%～0.5wt%、柠檬酸钠的质量分数为0.2wt%～1wt%。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1）本发明采用阳极氧化法制备超级电容器镍基电极，电极表面的活性材料是在基体金属上原位生成，活性材料与基体结合牢固，导电性好。
2）在制备电极时不需要另加入导电剂和粘结剂等非活性物质，既减少了电极制备的工序，降低了制备成本，又提升了电极材料的比容量。
3）制备的电极材料具有较大的比表面积，比电容高，放电功率大。其中，比表面积达到103.3m2/g以上，比电容在100A/g的充放电速度下达到1140F/g以上。
附图说明
图1为实施例1制备的镍基复合膜层的XRD图；
图2为实施例1制备的镍基复合膜层的XPS图；
图3为实施例1制备的镍基复合膜层的表面形貌SEM图；
图4为实施例1制备的镍基复合膜层的（a）TEM图及（b）电子衍射花样图；
图5为实施例1制备的镍基复合膜层的（a）N2的吸附和脱附曲线；（b）孔径分布曲线；
图6为实施例1制备的镍基复合膜层的循环伏安测试曲线；
图7为实施例1制备的镍基复合膜层的恒流充放电曲线；
图8为实施例1制备的镍基复合膜层的阻抗测试图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术特点，下面结合实施例对本发明作进一步的说明。需要说明的是，实施例并不是对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种镍基电极材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)试样准备：将镍片浸泡在丙酮中，并在超声波清洗槽中清洗20分钟，然后将清洗好的镍片浸泡在无水乙醇中。
(2)镍片的阳极氧化：配置阳极氧化电解液，溶液中H3PO4的质量分数为80wt%，氟化铵的质量分数为1wt%，EDTA的质量分数为0.1wt%、柠檬酸钠的质量分数为0.2wt%，余量为水（质量分数为18.7wt%）。电解液的pH值调节至1。取出浸泡在无水乙醇中的镍片，用电吹风吹干。以镍片为阳极，不锈钢片为阴极，饱和的氯化钾甘汞电极为参比电极，阳极氧化电压以10mV/s的速率上升到3.5V，然后保持3.5V电压30分钟。
(3)后处理：将(2)中制备好的镍片取出，清洗掉镍片表面残余溶液，吹干。
图1所示为实施例1所制备镍基膜层的X射线洐射图（XRD），其中镍的洐射峰来自基体金属，Ni(OH)2和NiF2的洐射峰来自金属镍表面的阳极氧化膜层。图2为膜层的X射线光电子能谱（XPS），进一步证明了阳极氧化膜层为Ni(OH)2和NiF2复合膜层，且Ni(OH)2与NiF2的摩尔数比为1：6。图3为镍基复合膜层的电子扫描显微镜(SEM)形貌图，由图可知，生成的膜层为多孔的海绵状结构。图4为镍基复合膜的透射电子显微镜图（TEM）。由图4(a)可以明显地看到阳极氧化膜的多孔结构，孔径大小约10nm。图4(b)中的电子洐射花样为多晶环，表明膜层中NiF2的晶粒尺寸非常细小。为了更准确和直观地表征镍基复合膜层的比表面积和多孔结构，对膜层做了BET分析。图5（a）为阳极氧化膜层在BET测试时氮气的吸附和脱附曲线。复合膜层在相对气压（p/p0）<0.03时已有一定的气体吸附量，说明膜层中有相当数量的微孔存在。根据吸脱附曲线的形状可以确定膜层的多孔结构属于IUPC分类中的Ⅳ类。吸脱附曲线在相对气压（p/p0）为0.5-1.0范围内明显存在一个吸附滞后环，说明镍基膜中含有大量的介孔结构。镍基复合膜层的比表面积达到103.3m2/g，说明阳极氧化法可用于制备具有较大比表面积的纳米膜层。图5（b）为镍基复合膜层的孔径分布曲线，膜层中孔径分布呈双峰粒度分布，孔径主要集中在3.9nm和6.4nm。镍基复合膜层中大量介孔及微孔的存在不仅为活性物质提供了大面积的反应场所，同时也为溶液中的离子提供快速扩散通道，进而提高电极材料的功率密度和能量密度。
将制备后的镍片直接作为电极在1M NaOH溶液中进行电化学性能测试。图6所示为100mV/s的速率下测试的循环伏安曲线，镍基复合膜有明显的氧化还原峰，表现出赝电容特征。图7为镍基复合膜层在0.4V下的阻抗测试图，膜层的电荷传输阻抗只有0.91欧姆，等效串联电阻只有1.38欧姆，表明镍基复合膜层有非常好的导电性及电化学活性。膜层的拐点频率约38.58Hz，表明这种材料能达到较高的放电功率。图8所示为镍基复合膜的恒流充放电曲线，由图可知，甚至在高达100A/g的电流密度下，镍基复合膜的比电容依然达到1680F/g，表现出非常出众的比能量及比功率。现有的电极材料的研究报道中，很少有用其他制备方法制备的电极材料，在高达100A/g的电流密度下进行充放电测试时，比电容量能达到1680F/g。
实施例2
一种镍基电极材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)试样准备：与实施例1相同。
(2)镍片的阳极氧化：配置阳极氧化电解液，溶液中H3PO4的质量分数为80wt%，氟化铵的质量分数为1wt%，EDTA的质量分数为0.5wt%、柠檬酸钠的质量分数为0.2wt%，余量为水（质量分数为18.3wt%）。电解液的pH值调节至1。取出浸泡在无水乙醇中的镍片，用电吹风吹干。以镍片为阳极，不锈钢片为阴极，饱和的氯化钾甘汞电极为参比电极，阳极氧化电压以100mV/s的速率上升至到3V，然后保持3V电压40分钟。
(3)后处理：与实施例1相同。
经本实施例制备的电极表面的镍基复合膜形貌、组织类似实施例1，均为具有多孔结构的Ni(OH)2和NiF2复合膜层，但生成的膜层较厚。制备的电极在1M的NaOH溶液下测试，其比电容在100A/g的充放电速度下为1500F/g。
实施例3
一种镍基电极材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)试样准备：与实施例1相同。
(2)镍片的阳极氧化：配置阳极氧化电解液，溶液中H3PO4的质量分数为85wt%，氟化铵的质量分数为1wt%，EDTA的质量分数为0.5wt%、柠檬酸钠的质量分数为0.2wt%，余量为水（质量分数为13.3wt%）。电解液的pH值调节至0.5。取出浸泡在无水乙醇中的镍片，用电吹风吹干。以镍片为阳极，不锈钢片为阴极，饱和的氯化钾甘汞电极为参比电极，阳极氧化电压以10mV/s的速率上升至到3.5V，然后保持3.5V电压15分钟。
(3)后处理：与实施例1相同。
经本实施例制备的电极表面的镍基复合膜形貌、组织类似实施例1，均为具有多孔结构的Ni(OH)2和NiF2复合膜层，但生成的膜层较薄。制备的电极在1M的NaOH溶液下测试，其比电容在100A/g的充放电速度下为1950F/g。
实施例4
一种镍基电极材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)试样准备：与实施例1相同。
(2)镍片的阳极氧化：配置阳极氧化电解液，溶液中H3PO4的质量分数为85wt%，氟化铵的质量分数为2wt%，EDTA的质量分数为0.5wt%、柠檬酸钠的质量分数为1wt%，余量为水（质量分数为11.5wt%）。电解液的pH值调节至0.5。取出浸泡在无水乙醇中的镍片，用电吹风吹干。以镍片为阳极，不锈钢片为阴极，饱和的氯化钾甘汞电极为参比电极，阳极氧化电压以500mV/s的速率上升至到6V，然后保持6V电压60分钟。
(3)后处理：与实施例1相同。
经本实施例制备的电极表面的镍基复合膜形貌、组织类似实施例1，均为具有多孔结构的Ni(OH)2和NiF2复合膜层。制备的电极在1M的NaOH溶液下测试，其比电容在100A/g的充放电速度下为1140F/g。
实施例5
镍基电极材料的阳极氧化制备工艺。
(1)试样准备：与实施例1相同。
(2)镍片的阳极氧化：配置阳极氧化电解液，溶液中H3PO4的质量分数为80wt%，氟化铵的质量分数为0.5wt%，EDTA的质量分数为0.3wt%、柠檬酸钠的质量分数为0.8wt%，余量为水（质量分数为18.4wt%）。电解液的pH值调节至2.5。取出浸泡在无水乙醇中的镍片，用电吹风吹干。以镍片为阳极，不锈钢片为阴极，饱和的氯化钾甘汞电极为参比电极，阳极氧化电压以100mV/s的速率上升至到5V，然后保持5V电压40分钟。
(3)后处理：与实施例1相同。
经本实施例制备的电极表面的镍基复合膜形貌、组织类似实施例1，均为具有多孔结构的Ni(OH)2和NiF2复合膜层。制备的电极在1M的NaOH溶液下测试，其比电容在100A/g的充放电速度下为1440F/g。
上述实施例为本发明的实施方案，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镍基电极材料的制备方法，其特征在于，用含氟的电解液对镍片进行阳极氧化处理，阳极氧化电压以10mV/s～500mV/s的速率逐步由0V增加到3～6.5V，然后保持该电压15～60分钟，取出镍片清洗、干燥后即制得镍基电极材料；所述电解液包含质量分数0.5wt%～2wt%的氟化物、质量分数70wt%～85wt%的磷酸，余量为水。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阳极氧化电压首先以10mV/s～100mV/s的速率逐步由0V增加到3.5～6V。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磷酸的质量分数为80wt%～85wt%，氟化物的质量分数为0.5wt%～1.5wt%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电解液的含水量小于20wt%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电解液的pH值调节至0.5～2.5。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氟化物为氟化铵、氟化钠或氟化钾。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述电解液还包含添加剂。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述添加剂为EDTA和柠檬酸钠中的一种或两种。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述电解液中EDTA的质量分数为0.1wt%～0.5wt%、柠檬酸钠的质量分数为0.2wt%～1wt%。
10.权利要求1～9任意一项方法制备的镍基电极材料。
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