一種超級電容器電極材料硫化鎢-炭氣凝膠及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硫化鎢-炭氣凝膠氣凝膠復(fù)合材料和超級電容器電極材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]能源的快速消耗推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，同時(shí)也帶來了愈發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染和全球變暖等問題。因此，探尋廉價(jià)、高效和環(huán)保的新型能源存儲和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)至關(guān)重要。超級電容器又叫做電化學(xué)電容器，是近幾年發(fā)展較快的一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的新型儲能器件，兼具二者的優(yōu)點(diǎn)一一比傳統(tǒng)電容器更高的能量密度，同時(shí)比各種二次電池更高的功率密度。此外，超級電容器的典型優(yōu)點(diǎn)也促使其在多領(lǐng)域的應(yīng)用，這些優(yōu)點(diǎn)包括充電速率快、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、免維修和經(jīng)濟(jì)環(huán)保等。
[0003]超級電容器的性能主要受限于電極材料和電解液體系，特別是電極材料的比表面積和電導(dǎo)率對超級電容器的性能影響顯著。作為超級電容器有效的活性電極材料，過渡金屬硫化物必須具有以下特點(diǎn):(I)、硫化物中的金屬離子必須有兩個(gè)或兩個(gè)以上的氧化態(tài)共存，便于氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，又不至于引起相變；(2)、電子和離子能夠通過反應(yīng)自由的出入硫化物的晶格，加快反應(yīng)速率。硫化鎢(WSx)是過渡金屬硫化物中常用的電極材料之一，層狀的硫化鎢具有與石墨烯相似的結(jié)構(gòu)，是由六方晶系的單層或多層硫化鎢組成的具有“三明治夾心”結(jié)構(gòu)的化合物，這種結(jié)構(gòu)使得物質(zhì)層內(nèi)存在較強(qiáng)的共價(jià)鍵，層間存在較弱的范德華力，使得層間易被拓展開，為離子及其它客體的嵌入提供了可能，從而具有新的物理化學(xué)特性。層狀的硫化鎢納米晶體具有良好的催化活性，且研究證明，催化活性位點(diǎn)位于層狀材料的邊緣部分，即邊緣晶面;邊緣晶面含有裸露的W原子，其配位狀態(tài)低于六，有利于與有機(jī)物中的硫原子結(jié)合。層狀結(jié)構(gòu)的硫化鎢具有大的比表面積和好的催化性能，比碳基材料具有更高的理論比電容，比一般的氧化物具有更好的離子導(dǎo)電性能。然而，以過渡金屬硫化物為電極材料的法拉第準(zhǔn)電容器的循環(huán)穩(wěn)定性相對較差，嚴(yán)重?fù)p害了電容器的使用壽命，影響了該材料在能源領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。
[0004]炭氣凝膠作為碳基材料的新星，是一種輕質(zhì)的納米多孔非晶碳材料，因具有比表面積大，孔隙率高，導(dǎo)電性好，結(jié)構(gòu)可控等優(yōu)點(diǎn)，自發(fā)現(xiàn)以來就成為科學(xué)界的研究熱點(diǎn)，引起了廣泛的關(guān)注。這些優(yōu)點(diǎn)使炭氣凝膠既表現(xiàn)出強(qiáng)的吸附能力，在催化劑和吸附劑載體方面應(yīng)用前景廣闊；又表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)均一、化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可作為儲能器件尤其是電化學(xué)超級電容器的理想電極材料。
[0005]因此，將理論比電容大的硫化鎢與穩(wěn)定性好的炭氣凝膠復(fù)合，在泡沫鎳的模板輔助作用下，通過協(xié)同作用發(fā)揮其良好的電化學(xué)性能，是一個(gè)有價(jià)值的研究課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述單體材料的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種硫化鎢-炭氣凝膠復(fù)合材料及其制備方法，該制備方法簡單易操作，材料易得，成本低。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供一種超級電容器電極材料，由上述硫化鎢-炭氣凝膠復(fù)合材料直接生長在泡沫鎳上制備而成，比容值高，循環(huán)使用壽命長。此外，該復(fù)合電極的制備無額外添加粘結(jié)劑，有利于電極導(dǎo)電性能的提高。
[0008]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]—種硫化媽-炭氣凝膠復(fù)合材料，所述的復(fù)合材料由硫化媽(W S x)和炭氣凝膠(carbon aerogel)復(fù)合而成，硫化媽和炭氣凝膠的質(zhì)量比為4?8:1，優(yōu)選質(zhì)量比為5:1。所述的硫化鎢WSx是二硫化媽W(xué)S2和三硫化物WS3的混合物，二硫化鎢WS2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%。
[0010]—種超級電容器電極材料，由硫化媽-炭氣凝膠復(fù)合材料與泡沫鎳片制成。
[0011 ]上述超級電容器電極材料的制備方法，包括以下步驟:
[0012](I)將集流體泡沫鎳片清洗干凈、干燥，備用；
[0013](2)采用溶膠-凝膠法制備炭氣凝膠；
[0014]將甲醛和間二苯酚按照摩爾比為2:1溶解在50?10ml的二次蒸餾水中，經(jīng)氨水(含氨量25%?28%)調(diào)節(jié)pH值至6.5?7.0，在85°C的水浴中反應(yīng)24h，經(jīng)離心洗滌得到沉淀，干燥后備用；
[0015](3)取0.012?0.075g步驟(2)制備的炭氣凝膠，超聲分散在20?30mL 二次蒸餾水中，得到均勻的炭氣凝膠分散液；
[0016](4)將WSx固體粉末在球磨機(jī)中研磨2?4h，在95 %?98 %的濃硝酸中，85?95°C條件下回流10?16h，用二次蒸餾水洗滌至中性，過夜干燥；
[0017](5)取0.048?0.6g步驟(4)中處理過的WSX，超聲分散在20?30mL二次蒸餾水中得至IjWSx分散液；
[0018](6)將步驟(3)制得的炭氣凝膠分散液緩慢的滴加到步驟(5)制得的WSx分散液中，不斷攪拌，并用二次蒸饋水稀釋至70?90mL，持續(xù)攪拌0.5?3h，得WSx/carbon aeroge I混合溶液；
[0019](7)將步驟(6)制得的混合溶液轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜，并將步驟(I)備用的泡沫鎳片浸入其中，進(jìn)行水熱反應(yīng)，在此反應(yīng)過程中生成的WSx/carbon aerogel復(fù)合材料直接生長于泡沫鎳片的表面和空隙中，反應(yīng)溫度為150?220°C，反應(yīng)時(shí)間為24?48h;
[0020](8)待步驟(7)水熱反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，取出泡沫鎳、洗滌、真空干燥，得N1-WSx/carbon aeroge I超級電容器電極材料;剩余的反應(yīng)液離心、洗滌、真空干燥，即得到硫化媽-炭氣凝膠復(fù)合材料。
[0021 ]進(jìn)一步，步驟(I)所述的泡沫鎳片的規(guī)格為(長X寬X高:(5?7cm) X (3?5cm) X(0.1?0.5cm)ο
?0022] 進(jìn)一步，步驟(2)所述的炭氣凝膠為固體粉末，粒徑為150?300nm。
[0023]進(jìn)一步，步驟(I)、(3)和(5)所述的超聲的頻率為40?60KHz。
[0024]進(jìn)一步，步驟(2)和步驟(8)所述的沉淀離心的速率為8000?10000r/min。
[0025]進(jìn)一步，步驟(2)和步驟(8)所述的洗滌方法為:二次蒸餾水和乙醇分別洗滌2?4次。
[0026]進(jìn)一步，步驟(2)和步驟(8)所述的沉淀干燥的溫度為60?80°C，時(shí)間為20?24h。
[0027]進(jìn)一步，步驟(4)所述的球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為600?800r/min。
[0028]進(jìn)一步，步驟(4)所述的WSx固體粉末的粒徑為1.5?2.5μηι，經(jīng)研磨后粒徑為0.5?Ιμπ?ο
[0029]進(jìn)一步，步驟(8)所述的干燥為真空干燥，溫度為60?80°C，時(shí)間為20?24h。
[0030]本發(fā)明的積極效果
[0031]本發(fā)明制備的硫化鎢-炭氣凝膠復(fù)合材料有效的結(jié)合硫化鎢和炭氣凝膠的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮了二者的協(xié)同作用。經(jīng)過電化學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活性材料直接生長在泡沫鎳上時(shí)，泡沫鎳為材料的分散沉積提供了模板和基底，使所制備的電極材料具有大的比表面積，為法拉第氧化還原反應(yīng)的發(fā)生提供充足的空間，更好的提高超級電容器的比電容和穩(wěn)定性。此外，該復(fù)合電極的制備無額外添加的粘結(jié)劑，有利于電極導(dǎo)電性能的提高，從而改善超級電容器的電化學(xué)性能，是一種優(yōu)良的超級電容器電極材料，具有良好的應(yīng)用前景。
[0032]本發(fā)明的制備方法簡單、有效，成本低廉、綠色環(huán)保。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的WSx/carbon aerogel復(fù)合材料的SEM圖；
[0034]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中制備的N1-WSx/carbonaerogel超級電容器電極材料的循環(huán)伏安曲線圖；
[0035]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中制備的N1-WSx/carbonaerogel超級電容器電極材料在lAg—1電流密度下的充放電曲線圖；
[0036]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1制備的N1-WSx/carbon aerogel超級電容器電極材料在不同電流密度下比電容計(jì)算值示意圖；
[0037]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1制備的N1-WSx/carbonaerogel超級電容器電極材料在的循環(huán)穩(wěn)定性測試圖；
[0038]圖6為本發(fā)明實(shí)施例2制備的N1-WSx/carbon aerogel復(fù)合材料的SEM圖；
[0039]圖7為本發(fā)明實(shí)施例2中制備的N1-WSx/carbonaerogel超級電容器電極材料的循環(huán)伏安曲線圖；
[°04°]圖8為本發(fā)明實(shí)施例2中制備的N1-WSx/carbon aerogel超級電容器電極材料在I A/g電流密度下的充放電曲線圖；
[0041]圖9為本發(fā)明實(shí)施例2制備的N1-WSx/carbon aerogel超級電容器電極材料在不同電流密度下比電容計(jì)算值示意圖；
[0042]圖10為本發(fā)明實(shí)施例2制備的N1-WSx/carbonaerogel超級電容器電極材料在的循環(huán)穩(wěn)定性測試圖；
[0043]圖11為本發(fā)明實(shí)施例3制備的WSx/carbon aerogel復(fù)合材料的SEM圖；
[0044]圖12為本發(fā)