一种高性能镍铝层状双硫化物／氧化物复合电极材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种高性能镍铝层状双硫化物／氧化物复合电极材料的制备方法 (Preparation method of high-performance nickel-aluminum layered double sulfide/oxide composite electrode material ) 是由 李磊 付建建 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高性能镍铝层状双硫化物/氧化物复合电极材料的制备方法,包括以下步骤：步骤一,制备3D花瓣结构的NiAl LDH基础材料,步骤二,制备3D花瓣结构的NiAl LDS/LDO复合材料,步骤三,制备高性能非对称超级电容器器件。本发明通过水热法调控得到的3D纳米结构的NiAlLDH基础材料具有较高的比表面积,可以为电荷存储提供更多的电活性位点。通过高温退火后,原先的NiAl LDH转化为NiAl LDS/LDO复合材料,转化后,先前的3D结构得以保留,且组成结构的纳米片表面变得更加粗糙,使比表面积进一步增大,与此同时,镍铝双氢氧化物转化为双硫化物/氧化物后,材料的导电性大幅提升,更加有利于材料内部电荷的快速转移。(The invention discloses a preparation method of a high-performance nickel-aluminum layered double sulfide/oxide composite electrode material, which comprises the following steps: preparing a 3D petal-structured NiAl LDS base material, preparing a 3D petal-structured NiAl LDS/LDO composite material, and preparing a high-performance asymmetric supercapacitor device. The NiAlLDH base material with the 3D nano structure, which is obtained by regulating and controlling through a hydrothermal method, has a higher specific surface area, and can provide more electroactive sites for charge storage. After high-temperature annealing, the original NiAl LDH is converted into a NiAl LDS/LDO composite material, after conversion, the previous 3D structure is reserved, the surface of the nanosheet forming the structure becomes rougher, the specific surface area is further increased, meanwhile, after the nickel-aluminum double hydroxide is converted into the double sulfide/oxide, the conductivity of the material is greatly improved, and the rapid transfer of charges inside the material is facilitated.)
技术领域
本发明涉及电极材料制备领域，特别涉及一种高性能镍铝层状双硫化物/氧化物复合电极材料的制备方法。
背景技术
近年来，伴随着人类对新型电子产品的向往与追求，开发与之相匹配的高性能储能器件成为未来科技发展的风向标。然而，目前该领域所常见的如铅酸电池、锂离子电池等，在安全性、使用寿命、极端天气亏电等方面存在较多缺陷。因此，探索可以弥补上述缺陷的新型储能器件显得至关重要。超级电容器作为一种非常有潜力的储能器件，拥有高功率密度，快速充放电，循环寿命长，安全环保等优点，成为了目前储能研究领域的主力军，并积极推广应用在新能源公交车以及大型起重设备上。然而，较低的能量密度使其在进一步的研究和应用中受到了较大阻碍。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高性能镍铝层状双硫化物/氧化物复合电极材料的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明一种高性能镍铝层状双硫化物/氧化物复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备3D花瓣结构的NiAl LDH基础材料：将六水硝酸镍、九水硝酸铝、尿素，溶于去离子水中，并进行搅拌，随后将混合溶液转移到水热反应釜中，通过加热得到NiAlLDH；
步骤二，制备3D花瓣结构的NiAl LDS/LDO复合材料：将NiAl LDH与硫代硫酸钠进行混合并研磨，将混合粉末转移到管式炉进行退火处理得到NiAl LDS/LDO；
步骤三，制备高性能非对称超级电容器器件：采用NiAl LDS/LDO复合材料为正极材料，高纯度石墨烯G为负极材料，组装成非对称NiAl LDS/LDO//G超级电容器器件。
作为本发明的一种优选技术方案，包括以下步骤：
步骤一，制备3D花瓣结构的NiAl LDH基础材料：将0.006mol六水硝酸镍，0.002mol九水硝酸铝，溶于60mL去离子水中，搅拌15分钟，然后加入0.03mol尿素，再搅拌15分钟形成溶液，将溶液转移到100mL聚四氟乙烯内胆的水热反应釜中，在120℃下保温12小时，等反应釜自然冷却到室温，用去离子水和乙醇清洗3-5次，然后将产物在80℃下真空干燥12小时；
步骤二，制备3D花瓣结构的NiAl LDS/LDO复合材料：将先前制备好的NiAl LDH与硫代硫酸钠按1:2的摩尔比混合，对混合物进行精细研磨30分钟，将混合粉末转移到管式炉的石英管中，在氩气氛围保护下500℃保温12小时，冷却到室温后，用乙醇将黑色产物清洗3-5次，然后将其在80℃下真空干燥12小时；
步骤三：制备高性能非对称超级电容器器件：完整的非对称超级电容器器件封装在纽扣电池壳中，该器件的组装过程中，采用NiAl LDS/LDO复合材料为正极材料，高纯度石墨烯G为负极材料，6M氢氧化钾溶液为电解液，组装成非对称NiAl LDS/LDO//G超级电容器器件。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤三当中，电极制备时，将活性材料乙炔黑和聚四氟乙烯按70:20:5的比例加入少量乙醇进行混合，并均匀涂在泡沫镍集流器上，在80℃下真空干燥12小时。
作为本发明的一种优选技术方案，所选用的六水硝酸镍、九水硝酸铝、尿素、硫代硫酸钠等药品均为分析纯，药品纯度为99.99％。
作为本发明的一种优选技术方案，NiAl LDS/LDO的制备是通过分解和合成两个阶段的化学反应进行的，具体的反应过程为：
分解反应：
Ni(OH)2→NiO+H2O
2Al(OH)3→Al2O3+3H2O
4Na2S2O3→3Na2SO4+Na2S5
合成反应：
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过水热法调控得到的3D纳米结构的NiAl LDH基础材料具有较高的比表面积，可以为电荷存储提供更多的电活性位点，通过高温退火后，原先的NiAl LDH转化为NiAl LDS/LDO复合材料，转化后，先前的3D结构得以保留，且组成结构的纳米片表面变得更加粗糙，使比表面积进一步增大，与此同时，镍铝双氢氧化物转化为双硫化物/氧化物后，材料的导电性大幅提升，更加有利于材料内部电荷的快速转移，最终，将NiAl LDS/LDO和G分别作为超级电容器的正极和负极材料组装成高性能储能器件，对电极材料性能的提升进行了良好的验证。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明复合材料的X射线衍射图谱；
图2为本发明复合材料的扫描电子显微镜图；
图3为本发明复合材料的透射电子显微镜图；
图4为本发明复合材料的循环伏安测试；
图5为本发明复合材料的充放电测试；
图6为本发明复合材料的循环寿命测试；
图7为本发明非对称超级电容器器件的电容测试；
图8为本发明非对称超级电容器器件的循环寿命测试。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-8所示，本发明提供一种高性能镍铝层状双硫化物/氧化物复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备3D花瓣结构的NiAl LDH基础材料：将0.006mol六水硝酸镍，0.002mol九水硝酸铝，溶于60mL去离子水中，搅拌15分钟，然后加入0.03mol尿素，再搅拌15分钟形成溶液，将溶液转移到100mL聚四氟乙烯内胆的水热反应釜中，在120℃下保温12小时，等反应釜自然冷却到室温，用去离子水和乙醇清洗3-5次，然后将产物在80℃下真空干燥12小时；
步骤二，制备3D花瓣结构的NiAl LDS/LDO复合材料：将先前制备好的NiAl LDH与硫代硫酸钠按1:2的摩尔比混合，对混合物进行精细研磨30分钟，将混合粉末转移到管式炉的石英管中，在氩气氛围保护下500℃保温12小时，冷却到室温后，用乙醇将黑色产物清洗3-5次，然后将其在80℃下真空干燥12小时；
步骤三：制备高性能非对称超级电容器器件：完整的非对称超级电容器器件封装在CR 2302纽扣电池壳中，该器件的组装过程中，采用NiAl LDS/LDO复合材料为正极材料，高纯度石墨烯G为负极材料，6M氢氧化钾溶液为电解液，组装成非对称NiAl LDS/LDO//G超级电容器器件。
进一步，电极制备时，将活性材料乙炔黑和聚四氟乙烯按70:20:5的比例加入少量乙醇进行混合，并均匀涂在泡沫镍集流器上，在80℃下真空干燥12小时。
进一步，所选用的六水硝酸镍、九水硝酸铝、尿素、硫代硫酸钠等药品均为分析纯，药品纯度为99.99％。
进一步，NiAl LDS/LD0的制备是通过分解和合成两个阶段的化学反应进行的，具体的反应过程为：
分解反应：
Ni(OH)2→NiO+H2O
2Al(OH)3→Al2O3+3H2O
4Na2S2O3→3Na2SO4+Na2S5
合成反应：
具体的，对实施例1中所制备的复合材料进行X射线检测，如图1所示，可以观察到衍射峰同时包括Ni3S2、NiO以及Al2S3的衍射峰，表明NiAl LDS/LDO复合材料被成功制备。
见图2和图3，分别通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜清晰的观察到了NiAlLDS/LD0复合材料的3D花瓣状结构。
见图4，为所制备NiAl LDS/LDO复合材料的循环伏安测试，在图中可以发现，在5～100mV/s的范围内，随着扫速的不断增加，曲线面积的逐步增大，且没有明显的变形和极化，表明其优越的倍率特性。
见图5，为所制备NiAl LDS/LDO复合材料的充放电测试，通过计算得知，在电流密度为1A/g时，其展现出了2250.5F/g的高电容容量，并且电容没有随着电流密度的增加而大幅降低，表明其优越的倍率特性。
见图6，为所制备NiAl LDS/LDO复合材料的循环寿命测试，在电流密度为5A/g下，5000次充放电循环后，其电容容量仍保持在88.9％，说明了该材料拥有较长的使用寿命。
见图7，为所制备NiAl LDS/LDO//G非对称超级电容器器件的电容测试，在电流密度为1A/g时，器件展现出了153.3F/g的电容容量。
见图8，为所制备NiAl LDS/LDO//G非对称超级电容器器件的循环寿命测试，经过5000次充放电循环后，器件的电容容量保持在了95.68％，证明其具有较强的抗衰减特性。
通过扫描电子显微镜观察可以发现所制备的复合材料呈现出3D花瓣状结构，由许多二维纳米片交错组合而成，且纳米片之间相互连通，使表面电荷可以进行快速转移；同时，材料间的孔状结构有利于电解液的快速扩散，使电极材料和电解液充分接触，从而增加了内部活性位点的储能利用率；当前所制备的NiAl LDS/LDO复合电极材料在电流密度为1A/g时展现出2250.5F/g的高电容容量，并且伴随着电流密度的逐步增加，其曲线形状保持良好，证明其具有较高的倍率性能，同时，在电流密度为5A/g下，5000次充放电循环后，其电容容量仍保持在88.9％，说明了该材料拥有较长的使用寿命
本发明通过水热法调控得到的3D纳米结构的NiAl LDH基础材料具有较高的比表面积，可以为电荷存储提供更多的电活性位点，通过高温退火后，原先的NiAl LDH转化为NiAl LDS/LDO复合材料，转化后，先前的3D结构得以保留，且组成结构的纳米片表面变得更加粗糙，使比表面积进一步增大，与此同时，镍铝双氢氧化物转化为双硫化物/氧化物后，材料的导电性大幅提升，更加有利于材料内部电荷的快速转移，最终，将NiAl LDS/LDO和G分别作为超级电容器的正极和负极材料组装成高性能储能器件，对电极材料性能的提升进行了良好的验证。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。