本技术介绍了一种新型复合电极材料及其制备技术,应用于电极材料技术领域。该材料通过在泡沫集流体表面进行多次原位沉积不同活性组分,如四氧化三锰和硫化物,以提高电极性能。
背景技术
超级电容器,亦称为电化学超级电容器,是一种利用电化学反应机制将电能转化为化学能并存储电荷的先进储能装置。得益于其高能量存储能力、快速充电特性、高功率密度以及长循环寿命等优势,超级电容器有望成为未来能源存储系统的核心组件。电极材料作为电荷存储的媒介,对超级电容器的储能性能起着至关重要的作用。因此,设计和开发高性能电极材料是当前科研人员面临的主要挑战。
在这一领域,A.M.Patil等人利用水热法制得了NiS纳米薄片,该材料在5mV/s扫速下可提供的比电容值为880F/g。经过4000次循环后电容保持率高达90%。Ting-Feng Yi等人利用水热技术和阴离子交换反应合成ZnS纳米粒子,该材料表现出优越的电化学性能,在1A/g时具有824F/g的最高可逆比电容。此外,Bin Li等人通过水热方法合成了一种超细Mn3
O4
,该材料在10mV/s扫描速度下呈现出良好的比电容值(401F/g)。
在众多电极材料中,Ni基、Mn基、Zn基化合物具有高理论比电容、资源丰富、具有多种氧化态的赝电容特性以及制备工艺简单等优势,被视为极具潜力的电极活性材料。然而,这些单一金属化合物在实际应用中存在本征电导率低和在充放电过程中体积膨大等问题,严重限制了其比电容值和循环稳定性,导致其功率密度和循环寿命较低,从而阻碍了其大规模应用。
近些年,人们制备并深入研究了各种多相金属化合物复合材料在超级电容器领域的应用潜力,具体而言:Ali Asghar等人采用表面活性剂驱动的水热法合成了NiS/ZnS复合材料,该材料在0.5mA/cm2
电流密度下放电时间长达461.97s(比电容461.97mF/cm2
),这一数值远大于相同条件下单一NiS、ZnS电极的放电时间(分别为396.36s和186.26s)。Sreenivasa Kumar Godlaveeti等人则通过水热法合成了NiS/ZnO复合材料,并发现当复合材料中NiS和ZnO的比例为5:5时,复合材料表现出卓越的比电容特性(1A/g的电流密度下比电容值高达1322F/g)和良好的循环寿命(经过1000次充放电循环后比电容保持率为76.66%)。此外,Qiang Hu等人基于简单的溶液法设计并合成了MnO2
/Co9
S8
分层的核-壳纳米结构,该复合材料在3mA/cm2
电流密度下展现出了643.3C/g的高比电容,这一数值是单一MnO2
的10.1倍。
因此,构筑多相金属化合物复合材料在提高超级电容器能量密度和循环稳定性方面展现了巨大的应用潜力。然而,目前的研究成果仍难以满足当前的储能需求,电极材料整体电化学性能(如比电容和循环稳定性)仍有巨大的提升空间。
实现思路