本發(fā)明屬于材料化學技術領域，涉及一種三維階層結構復合電極材料，具體來說，涉及一種球狀Co(OH)₂復合電極材料及其制備方法。

背景技術：

隨著科技的快速發(fā)展和進步以及傳統(tǒng)化石能源的日益匱乏，各種環(huán)境污染問題相繼出現(xiàn)，迫切的需求科學家們研究一種新的清潔能源。尋求可再生的清潔能源，對于減輕環(huán)境污染和促進人類的可持續(xù)發(fā)展至關重要。然而，利用可再生能源的關鍵是轉化為電能，之后才能可以加以利用。因此，現(xiàn)在主要解決的問題就是能量的儲存。近年來廣泛研究的電能儲存器件主要有鋰離子電池和超級電容器。相比于傳統(tǒng)的儲能器件，它們具有更高的能量密度和功率密度，同時也有更高的循環(huán)穩(wěn)定性。

目前大多數(shù)商業(yè)化的電極材料主要是以碳材料為主，但是其充放電比較差，同時由于孔徑過小導致導電性能差。而過渡金屬氫氧化物和碳材料不同，具有高的能量密度。但是其缺點就是循環(huán)穩(wěn)定性差，導電性不強，工作電壓低，同時比表面積差，不利于電子的快速運輸。如果克服上述缺點，將大大提高性能，可能在能源器件(超級電容器、鋰離子電池、燃料電池)上的應用發(fā)揮巨大的作用。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述技術問題，本發(fā)明的目的在于提供一種球狀Co(OH)₂復合電極材料及其制備方法。該方法環(huán)境友好，得到的球狀Co(OH)₂三維階層結構電極材料能解決現(xiàn)有技術中的金屬氫氧化物導電性不好、易團聚等的缺點，同時具有較高的比容量，達到452.3F/g。

本發(fā)明具體技術方案介紹如下。

本發(fā)明提供一種球狀Co(OH)₂復合電極材料的制備方法，具體步驟如下：

(1)將鈷源、表面活性劑、去離子水和乙醇超聲混合得到混合溶液；

(2)將步驟(1)得到的混合溶液移入水熱反應釜中進行水熱反應，反應結束后，自然冷卻至室溫，得到反應液；

(3)將步驟(2)所得到反應液離心，收集沉淀，然后洗滌、干燥，即得到三維球狀Co(OH)₂材料。

上述步驟(1)中，表面活性劑為聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物，鈷源為硝酸鈷。

上述步驟(1)中，鈷源和表面活性劑的質(zhì)量比為100:1-10:1，鈷源和水的質(zhì)量體積比為1:6～5:3mg/ml。

上述步驟(1)中，鈷源和乙醇的質(zhì)量比為20:1-1:2；超聲時間為15～30min.。

上述步驟(2)中，水熱的溫度為150-180℃，反應時間為12-18h。

上述步驟(3)中，干燥溫度為60-90℃，干燥時間為6-12h。

本發(fā)明還提供一種上述制備方法得到的球狀Co(OH)₂復合電極材料。

和現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

通過本發(fā)明的方法獲得的球狀Co(OH)₂三維階層結構電極材料充分利用了金屬氫氧化物，克服了單純金屬氧化物導電性不好和易團聚、單獨碳材料能量密度低的缺點，不僅熱穩(wěn)定性好、結晶程度高，而且制備方法簡單、成本低廉、環(huán)保，用表面活性劑控制形貌，形貌可控性強，是理想的能源材料之一。

附圖說明

圖1是實施例1所得球狀Co(OH)₂掃描電鏡圖。

圖2是實施例2所得球狀Co(OH)₂掃描電鏡圖。

圖3是實施例2所得球狀Co(OH)₂掃描電鏡圖。

圖4是實施例3所得球狀Co(OH)₂掃描電鏡圖。

圖5是實施例3所得球狀Co(OH)₂復合材料電化學性能測試圖。

圖6是實施例3所得球狀Co(OH)₂復合材料粉末的XRD圖。

圖7是實施例3所得球狀Co(OH)₂掃描電鏡圖。

圖8是實施例3所得球狀Co(OH)₂的BET曲線圖。

圖9是實施例4所得球狀Co(OH)₂掃描電鏡圖。

具體實施方式

下面通過具體實施例并結合附圖對本發(fā)明進一步闡述，但并不限制本發(fā)明。

實施例1

一種球狀Co(OH)₂復合電極材料及其制備方法，包括如下步驟：

(1)將6mg硝酸鈷和0.06mg F127加入到30ml去離子水中，超聲15min，隨后加入12mg無水乙醇，得到混合溶液；

(2)將步驟(1)得到的溶液移入水熱反應釜中，在150℃下進行反應12h，反應結束后，自然冷卻至室溫，得到反應液；

(3)將步驟(2)所得到反應液離心，收集沉淀，然后用去離子水和無水乙醇洗滌，最后在60℃下干燥6h，即得到三維球狀Co(OH)₂材料。

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國Zeiss ultra 55)儀器，對三維球狀Co(OH)₂材料粉末進行掃描，所得的掃描電鏡圖如圖1所示，從圖1中可以看出復合材料的球狀結構，由此表明了成功制備出三維球狀Co(OH)₂材料。

電化學性能測試：

在1mol/LKOH電解液條件下，標準電極是惰性Pt電極，參比電極是Ag/AgCl電極，工作電極是負載活性物質(zhì)的Pt網(wǎng)，用三電極體系在電化學工作站和藍電系統(tǒng)測試材料的電化學性能。本發(fā)明材料的結果表示，在不同掃速下的循環(huán)伏安曲線中，氧化還原峰略發(fā)生變化，突出其具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，并且在1A g^-1恒流充放電時具有315.4F g^-1的比容量，在循環(huán)10000次后依然保持有將近85％的比容量。

實施例2

一種球狀Co(OH)₂復合電極材料及其制備方法，包括如下步驟：

(1)將10mg硝酸鈷和0.2mg F127加入到40ml去離子水中，超聲20min，隨后加入1mg無水乙醇，得到混合溶液；

(2)將步驟(1)得到的溶液移入水熱反應釜中，在160℃下進行反應16h，反應結束后，自然冷卻至室溫，得到反應液；

(3)將步驟(2)所得到反應液離心，收集沉淀，然后用去離子水和無水乙醇洗滌，最后在70℃下干燥9h，即得到三維球狀Co(OH)₂材料。

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國Zeiss ultra 55)儀器，對三維球狀Co(OH)₂材料進行掃描，所得的掃描電鏡圖如圖2、3所示。從圖2、3中可以看出復合材料的球狀結構，由此表明了成功制備出三維球狀Co(OH)₂材料。

電化學性能測試方法同實施例1，結果顯示，本發(fā)明材料的結果表示，在不同掃速下的循環(huán)伏安曲線中，氧化還原峰略發(fā)生變化，突出其具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，并且在1A g^-1恒流充放電時具有370.8F g^-1的比容量，在循環(huán)10000次后依然保持有將近90％的比容量。

實施例3

一種球狀Co(OH)₂復合電極材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將30mg硝酸鈷和3mg F127加入到50ml去離子水中，超聲25min，隨后加入6mg無水乙醇，得到混合溶液；

(2)將步驟(1)得到的溶液移入水熱反應釜中，在170℃下進行反應16h，反應結束后，自然冷卻至室溫，得到反應液；

(3)將步驟(2)所得到反應液離心，收集沉淀，然后用去離子水和無水乙醇洗滌，最后在80℃下干燥9h，即得到三維球狀Co(OH)₂材料。

圖4、圖7是所得的三維球狀Co(OH)₂材料掃描電鏡圖。由圖4、圖7中可以看出復合材料的球狀結構，球結構分布均勻，可以看到成功的制備出三維球狀Co(OH)₂。圖5是三維球狀Co(OH)₂材料電化學性能測試圖，從圖中可以看出，本發(fā)明的三維階層復合電極材料在不同的掃描速度下均有著一對明顯的氧化還原峰，從而驗證了氧化還原反應。圖6是從三維球狀Co(OH)₂材料粉末的XRD圖譜。從圖6中可以看出該復合材料的成功制備，并且有著很好的結晶度。圖8是所得刻蝕后氫氧化鈷的BET曲線圖，由圖可以知道其材料的平均孔徑和累積孔體積分別為9.74nm和0.2980ml/g。

電化學性能測試方法同實施例1，結果顯示，在不同掃速下的循環(huán)伏安曲線中，復合材料在80mV/s掃速下，氧化還原峰基本沒有發(fā)生變化，突出其具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性，并且在1A g^-1恒流充放電時具有452.3F g^-1的比容量，在循環(huán)10000次后保持有將近95％的比容量。

實施例4

一種球狀Co(OH)₂復合電極材料及其制備方法，包括如下步驟：

(1)將50mg硝酸鈷和5mg F127加入到60ml去離子水中，超聲30min，隨后加入25mg無水乙醇，得到混合溶液；

(2)將步驟(1)得到的溶液移入水熱反應釜中，在180℃下進行反應18h，反應結束后，自然冷卻至室溫，得到反應液；

(3)將步驟(2)所得到反應液離心，收集沉淀，然后用去離子水和無水乙醇洗滌，最后在90℃下干燥12h，即得到三維球狀Co(OH)₂材料。

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國Zeiss ultra 55)儀器，圖6是所得的三維球狀Co(OH)₂材料掃描電鏡圖。由圖6中可以看出復合材料的球狀結構，由此表明成功制備出三維球狀Co(OH)₂材料，Co(OH)₂金屬氫氧化物球結構在不同程度上受到損壞，分布也不均勻，但可以看到成功的制備出三維球狀Co(OH)₂材料。

圖9是所得的三維球狀Co(OH)₂材料掃描電鏡圖。由圖9中可以看出復合材料的球狀結構，球結構分布不均勻，而且形貌損壞嚴重，但是也能成功的制備出三維球狀Co(OH)₂。

電化學性能測試方法同實施例1，結果顯示，在不同掃速下的循環(huán)伏安曲線掃速下，氧化還原峰發(fā)生較明顯的變化，說明其循環(huán)穩(wěn)定性相對較差，在1A g^-1恒流充放電時具的比容量相對于其它三個案例較低，在1Ag^-1恒流充放電時具有385.3F g^-1的比容量；循環(huán)10000次后仍能保持將近87％的比容量。

綜上所述，本發(fā)明的一種三維球狀Co(OH)₂電極材料的制備方法所得的不同形貌的Co(OH)₂，從而影響他們的電化學性能，實施例3所制備的電化學性能最好，Co(OH)₂電極在1A g^-1恒流充放電時具有452.3F g^-1的比容量，在循環(huán)10000次后，仍然保持有將近95％的比容量，同時不同掃速下的循環(huán)伏安曲線中，Co(OH)₂復合材料在80mV/s掃速下，氧化還原峰基本沒有發(fā)生變化，突出其具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性；在同等條件下測試實施例1、2和4材料的電化學性能，在1A g^-1恒流充放電時分別具有315.4F g^-1、370.8F g^-1和385.3F g^-1的比容量，在循環(huán)10000次后，實施例1、2和4材料的比容量分別保持在85％、90％和87％。

本發(fā)明復合材料充分利用金屬氫氧化物，克服了單純金屬氧化物導電性不好和易團聚、單獨碳材料能量密度低的缺點。

上述內(nèi)容僅為本發(fā)明的實施方式的具體列舉，而依據(jù)本發(fā)明的技術方案所作的任何等效變換，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。