電極材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種電極材料及其制備方法，具體涉及一種摻雜Mg的納米球形花狀a -Ni (OH)2電極材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容器具有高功率密度、長循環(huán)壽命、無污染、工作溫度范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、通訊、消費(fèi)和娛樂電子、信號(hào)監(jiān)控等領(lǐng)域。超級(jí)電容器的電極材料主要有碳基材料、導(dǎo)電聚合物及其復(fù)合材料和過渡金屬化合物及其復(fù)合材料。
[0003]Ni (OH)2電極材料具有價(jià)格低廉、比電容數(shù)值高等優(yōu)異特性，具有極高的商業(yè)價(jià)值和應(yīng)用前景。Ni(OH)2W α型和β型兩種晶體結(jié)構(gòu)。β-Ni (OH) 2/β-N10H電對(duì)反應(yīng)中理論電子轉(zhuǎn)移數(shù)為0.8個(gè)，其質(zhì)量比容量低；另外，在充放電過程中由于0-附(0!1)2活性物質(zhì)的體積反復(fù)收縮和膨脹造成脫落，從而影響電極的循環(huán)壽命。a -Ni (OH)2在某些方面較P-Ni(OH)2具有更多的優(yōu)點(diǎn)。a -Ni (OH) J γ -N10H電對(duì)的充放電循環(huán)不會(huì)發(fā)生電極膨脹，可逆性好；a -Ni (OH) 2/γ-N10H電對(duì)反應(yīng)中理論電子轉(zhuǎn)移數(shù)為1.67，其質(zhì)量比容量高。但是，a-Ni (OH)2在堿性電解液中不穩(wěn)定，a -Ni (OH) 2/γ-N10H電對(duì)迅速地老化轉(zhuǎn)化為β -Ni (OH)2/ β -N10H電對(duì)，電極材料的比容量衰減嚴(yán)重。研究表明，可以將+3價(jià)金屬陽離子或+2價(jià)金屬陽離子摻入到Ni(OH)^aB格中，得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的α-Ni (OH) 2。在本發(fā)明之前，申請(qǐng)?zhí)枮?0123599.0的發(fā)明專利中，采用共沉淀、過濾、干燥的方法制備得到摻雜Al、Co、Fe、Mn、In及Ga的球形a -Ni (OH)20該材料充電效率高，放電深度大，大電流充放電性能優(yōu)良。申請(qǐng)?zhí)枮?01210357142.4的發(fā)明專利中，采用丙三醇為反應(yīng)溶劑，尿素為沉淀劑，在100_210°C溶劑熱條件下制備球形a-Ni(0H)2。該活性材料在充放電電流密度為lA/g時(shí)，其比容量達(dá)到1177F/g。申請(qǐng)?zhí)枮?00410045467.4的專利中，研究人員在60-70°C下，利用正丁醇和十六烷基三甲基溴化銨為輔料，采用共沉淀、過濾、干燥的方法制備得到摻雜Al、Co、Fe、Mg及Zn的非晶體a-Ni(0H)2。該材料比容量高，循環(huán)性能好。
[0004]然而，在上述專利中，反應(yīng)溫度相對(duì)較高，而且使用有機(jī)溶劑或者表面活性劑，導(dǎo)致后處理水消耗大或溶劑、表面活性劑殘留，從而影響材料的電化學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種反應(yīng)溫度溫和，電化學(xué)性能好的摻Mg納米球形花狀a -Ni (OH)2電極材料及其制備方法。
[0006]本發(fā)明的摻Mg納米球形花狀a -Ni (OH)2電極材料是Ni i xMgx (OH)2置換型固溶體，其中0.01彡X彡0.4，Mg均勻摻雜于a -Ni (OH) 2中，結(jié)構(gòu)呈球形花狀，顆粒直徑為1_10 μπι。
[0007]本發(fā)明電極材料的制備方法包括如下步驟:
[0008](I)將水溶性鎳鹽溶解在去離子水中，攪拌均勻配制成濃度為0.1?2mol/L的溶液；
[0009](2)將水溶性鎂鹽溶解在去離子水中，攪拌均勻配制成濃度為0.1?2mol/L的溶液；
[0010](3)在磁力攪拌器不斷攪拌下，將步驟(2)制備的鎂鹽溶液混入步驟(I)制備的鎳鹽溶液中，制得混鹽溶液，其中[Mg2+]/{[Ni2+] +[Mg2+]}摩爾比為0.01?0.4 ;
[0011](4)在磁力攪拌器不斷攪拌下，將濃度為I?1wt %沉淀劑緩慢滴入步驟(3)的混鹽溶液中，反應(yīng)完成后陳化2?8小時(shí)，最終得到共沉淀生成物。其中沉淀劑加入速率是每Iml混鹽溶液中每小時(shí)加入0.3-0.4mL，反應(yīng)溫度為15?35°C ；
[0012](5)將步驟(4)得到的共沉淀生成物水洗、過濾，經(jīng)40?80°C干燥，得到摻雜Mg的納米球形花狀α-Ni (OH)2電極材料。
[0013]如上所述的水溶性鎳鹽為Ni (N03)2、NiSOjP NiCl 2中的一種。
[0014]如上所述的水溶性鎂鹽為Mg(N03)2、MgSOjP MgCl 2中的一種。
[0015]如上所述的沉淀劑為尿素、氨水中的一種。
[0016]本發(fā)明所提出的制備納米球形花狀a -Ni (OH)2的工藝具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0017](I)制備的材料在外觀上保持了球形a -Ni (0隊(duì)的形貌，從而使它具有較高的流動(dòng)性；在微觀上，這種a-Ni (OH)2不是由致密的a-Ni (OH) 2晶體堆積而成，而是由很多相互交錯(cuò)的摻雜Mg的納米a -Ni (OH)2薄片按照一定順序堆積，形成具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的納米顆粒。即使摻雜元素摩爾比達(dá)到40%時(shí)，摻雜元素也能均勻地分布在a-Ni (0!1)2晶格中，沒有發(fā)生偏析現(xiàn)象。這種均勻的孔隙結(jié)構(gòu)有助于電解液離子在電極材料內(nèi)部的擴(kuò)散，從而提高電極材料的倍率性能和大電流充放電性能。
[0018](2)本發(fā)明提出的制備工藝符合“綠色化學(xué)”的原則。以單一水為溶劑，在常溫條件下利用共沉淀工藝對(duì)a-Ni (OH) 2進(jìn)行取代改性。反應(yīng)體系沒有添加有機(jī)溶劑和表面活性劑，降低了材料后續(xù)處理過程水的消耗；同時(shí)，反應(yīng)在常溫條件下進(jìn)行，無須加熱或制冷，節(jié)約能源。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1提供的摻雜Mg的納米球形花狀a-Ni (OH) 2電極材料的掃描電鏡照片。
[0020]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1提供的摻雜Mg的納米球形花狀a-Ni (OH) 2電極材料的恒電流放電曲線。
[0021]圖3是本發(fā)明實(shí)施例2提供的摻雜Mg的納米球形花狀a-Ni (OH)2電極材料的掃描電鏡照片。
[0022]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2提供的摻雜Mg的納米球形花狀a-Ni (OH) 2電極材料的恒電流放電曲線。
[0023]圖5是本發(fā)明實(shí)施例3提供的摻雜Mg的納米球形花狀a-Ni (OH) 2電極材料的掃描電鏡照片。
[0024]圖6是本發(fā)明實(shí)施例3提供的摻雜Mg的納米球形花狀a-Ni (OH) 2電極材料的恒電流放電曲線。
[0025]圖7是本發(fā)明實(shí)施例4提供的摻雜Mg的納米球形花狀a-Ni (OH) 2電極材料的掃描電鏡照片。
[0026]圖8是本發(fā)明實(shí)施例4提供的摻雜Mg的納米球形花狀a-Ni (OH) 2電極材料的恒電流放電曲線。
[0027]圖9是本發(fā)明實(shí)施例5提供的摻雜Mg的納米球形花狀a-Ni (OH) 2電極材料的掃描電鏡照片。
[0028]圖10是本發(fā)明實(shí)施例5提供的摻雜Mg的納米球形花狀a -Ni (OH)2電極材料的恒電流放電曲線。
具體實(shí)施方案
[0029]下面通過實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明所提供的方法，本發(fā)明不限于此。
[0030]實(shí)施例1:量取36mL 0.5mol/L的NiClyK溶液于200mL燒杯中，然后混入4mL0.5mol/L的MgCl2水溶液，使溶液中[Mg 2+]/[Ni2+]+ [Mg2+] = 0.1，將燒杯置于20°C恒溫水浴中，在磁力攪拌器不斷攪拌下，緩慢滴入30ml、5wt %的氨水溶液沉淀劑，其加入速率為每Iml混鹽溶液中每小時(shí)加入0.4mL，滴定完畢后繼續(xù)于恒溫水浴中陳化6小時(shí)。反應(yīng)后產(chǎn)物用去離子水洗滌、過濾，經(jīng)60°C干燥，得到摻雜Mg的納米球形花狀a -Ni (OH)2電極材料。
[0031]將Ni (OH)2電極材料與乙炔黑、PTFE按照85:10:5的比例均勻混合制成膏狀，均勻涂布于Icmxlcm泡沫鎳集流體上，在1MPa的壓力下壓制成片。電化學(xué)性能測試采用三電極體系，a -Ni (OH)2電極材料為工