專利名稱：一種泡沫鎳原位制備碳微粒超級電容器電極的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種泡沫鎳原位制備碳微粒超級電容器電極材料的方法。
背景技術(shù)：
超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲存電能的器件。它具有比傳統(tǒng)電容器高得多的能量密度和比容量，同時又具有比電池大得多的功率密度。超級電容器一般具有如下特點(1)具有高的能量密度和功率密度；( 具有瞬間釋放大電流、充電時間短、充電效率高的優(yōu)點；(3)具有循環(huán)壽命長的優(yōu)點；(4)使用溫度范圍寬，低溫性能優(yōu)越。( 具有漏電電流小、自放電時間長的優(yōu)點；(6)對環(huán)境無污染，尤其是以碳材料為電極材料的超級電容器，可作為真正的綠色能源。碳材料是一種常用的超級電容器電極材料，可用于超級電容器電極的碳材料主要包括活性碳、碳纖維、玻璃碳、石墨、碳黑、碳氣凝膠、碳納米管等?；钚蕴急缺砻娣e大、化學(xué)穩(wěn)定性好，而且價格低廉，是使用最多的碳電極材料，其在超級電容器中的應(yīng)用技術(shù)也最成熟。泡沫鎳是一種孔率在90%以上的典型泡沫金屬，作為電極基體的集流材料，具有承載電極活性物質(zhì)和匯集電化學(xué)反應(yīng)電流的雙重功能。泡沫鎳被廣泛用于的各類電池，電容器中作為電極導(dǎo)電基體。目前，超極電容器電極的制備方法一般是將碳材料與導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合，合漿后再涂在導(dǎo)電基體上，碳材料與粘結(jié)劑的比例，合漿的工藝及涂漿工藝均對電極材料的性能有較大的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種采用熱絲和射頻等離子體復(fù)合化學(xué)氣相沉積技術(shù)在泡沫鎳原位生長碳微粒超級電容器電極的方法，簡化了基于碳材料的超級電容器制備工藝，所制備的碳微粒超級電容器電極具有較高的電容量。本發(fā)明采用熱絲和射頻等離子體復(fù)合化學(xué)氣相沉積技術(shù)，以CH4為碳源，在泡沫鎳基體生長原位生長碳微粒，用作超級電容器電極材料。本發(fā)明提供的一種泡沫鎳原位制備碳微粒超級電容器電極的方法，以泡沫鎳為導(dǎo)電骨架，以Ni (而3)2或狗(而3)3作為催化劑，采用熱絲和射頻等離子體復(fù)合化學(xué)氣相沉積工藝，氫氣作為還原氣體，CH4作為碳源，制備碳微粒超級電容器電極。所述Ni (NO3)2水溶液的濃度范圍為lmol/L 飽和。所述!^e (NO3)3水溶液的濃度范圍為lmol/L 飽和。所述CH4 H2體積比為1 6 1，反應(yīng)溫度為500°C。所述熱絲的加熱電流為20 40A。所述射頻等離子體的射頻功率為100 300W。所述熱絲和射頻等離子體復(fù)合化學(xué)氣相沉積時間為30 60min。本發(fā)明提供的一種泡沫鎳原位制備碳微粒超級電容器電極的方法，具體包括以下的步驟1.泡沫鎳基底的處理將泡沫鎳剪成小片，在0. 01mol/L NaOH中超聲清洗20min，去除表面油污，用去離子水清洗后，在稀HCl中再超聲清洗20min，以去除表面的氧化物，用去離子水清洗至中性后再在乙醇溶液中超聲清洗20min，真空干燥后備用。將泡沫鎳在Imo 1/L 飽和Ni (NO3) 2或!^e (NO3) 3溶液中浸泡4h，然后在80°C下真
空干燥。2.碳微粒超級電容器電極的原位生長將干燥后泡沫鎳放入熱絲和射頻等離子體復(fù)合化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，先抽背底真空至10_3Pa，之后關(guān)閉分子泵，通入高純氮氣，在氮氣氛下將襯底加熱至500°C，之后通入高純氫氣進行還原Ni (NO3)2或!^e (NO3)3，還原時間為60min。 隨后在保持500°C的襯底溫度下，通入CH4氣體，體積比為CH4 H2 = 1 6 1， 反應(yīng)氣壓為28Pa，開啟熱絲電源，電壓為40V，電流為20 40A，再開啟射頻電源，功率設(shè)置為100 300W，30 60min后結(jié)束反應(yīng)，關(guān)閉吐和CH4后在隊氣氛中降溫至常溫，得到表面為黑色，原位生長在泡沫鎳骨架上的碳微粒電極材料。3.將碳微粒電極材料放在濃度為10%的PTFE水溶液中浸泡池，真空干燥IOh后用對輥機壓制得到碳微粒超級電容器電極。再沖出兩個Φ1. 6mm電極片，放入鈕扣式電池殼中，加入lmol/L Na2SCM溶液浸潤池，封口后制成鈕扣式超級電容器。所述步驟1中，采用飽和Ni (NO3) 2溶液浸泡沫鎳，有部分Ni (NO3) 2被泡沫鎳的骨架吸附，經(jīng)氫氣熱處理后，Ni (NO3) 2被分解成為具有較高催化活性的Ni粒子，與CH4高溫?zé)峤z與等離子體環(huán)境下分解的碳活性基發(fā)生反應(yīng)，生成碳微粒。本發(fā)明的有益效果本方法不需要裝活性碳微粒與導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合，合漿后再涂在導(dǎo)電基體上， 本方法碳微粒與泡沫鎳不是通過粘結(jié)劑粘合，而是直接將碳微粒原位生長在泡沫鎳骨架上，碳微粒與泡沫鎳之間的接觸面積更大，粘結(jié)效果更好。減少了傳統(tǒng)工藝中的合漿步驟， 進一步降低生產(chǎn)成本。


圖1是本發(fā)明泡沫鎳原位生長的碳微粒超級電容器電極的SEM照片。
具體實施例方式實施例1、將清潔好的泡沫鎳放入飽和Ni (NO3) 2溶液中浸泡4h，然后在80°C下真空干燥3h。將干燥后的泡沫鎳放入熱絲和射頻等離子體復(fù)合化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，先抽背底真空至10_3Pa，之后關(guān)閉分子泵，通入高純氮氣，在氮氣氛下將襯底加熱至500°C，加熱30min 后再通入高純氫氣進行還原，還原時間為60min。隨后在保持500°C的襯底溫度下，通入CH4氣體，氣體體積比為CH4 H2 = 2 1，反應(yīng)氣壓為28Pa，開啟熱絲電源，電壓為40V，電流為^A，再開啟射頻電源，功率設(shè)置為150W， 45min后結(jié)束反應(yīng)，關(guān)閉H2和CH4后在N2氣氛中降溫至常溫，得到表面為黑色的碳微粒超級電容器電極。再將碳微粒超級電容器電極放入濃度為10%的PTFE水溶液中浸泡池，真空干燥 IOh后用對輥機壓制成電極。再沖出兩個φ 1. 6mm電極片，放入鈕扣式電池殼中，加入lmol/ LNa2S04溶液浸潤池，封口后制成鈕扣式超級電容器。采用電池測試系統(tǒng)進行恒電流充放電測試。碳微粒電極的比容量為64F/g。實施例2.與實施例1其它條件和步驟相同，泡沫鎳在lmol/L Ni (NO3) 2溶液中浸泡4h，干燥后用做電極基片。再采用同樣的熱絲和射頻等離子體復(fù)合化學(xué)氣相沉積工藝，制得的碳微粒電極比容量為38F/g。實施例3.與實施例1其它條件和步驟相同，改變CH4和H2體積比為CH4 H2 = 1 1，制備的碳微粒電極的比容量為56F/g。實施例4與實施例1其它條件和步驟相同，改變CH4和H2體積比為CH4 H2 = 6 1，制備的碳微粒電極的比容量為20F/g。實施例5.與實施例1其它條件和步驟相同，泡沫鎳在Im0VLFe(NO3)3溶液中浸泡4h，干燥后用做電極基片。再采用同樣的熱絲和射頻等離子體復(fù)合化學(xué)氣相沉積工藝，制得的碳微粒電極比容量為32F/g。實施例6.與實施例1其它條件和步驟相同，泡沫鎳在飽和Fe (NO3) 3溶液中浸泡4h，干燥后用做電極基片。再采用同樣的熱絲和射頻等離子體復(fù)合化學(xué)氣相沉積工藝，制得的碳微粒電極比容量為58F/g。實施例7.與實施例1其它條件和步驟相同，射頻功率設(shè)置為100W，制得的碳微粒電極比容量為10F/g。實施例8.與實施例1其它條件和步驟相同，射頻功率設(shè)置為300W，制得的碳微粒電極比容量為40F/g。實施例9.與實施例1其它條件和步驟相同，熱絲加熱電流設(shè)置為40A，制得的碳微粒電極比容量為60F/g。實施例10.與實施例1其它條件和步驟相同，熱絲加熱電流設(shè)置為20A，制得的碳微粒電極比容量為20F/g。實施例11.與實施例1其它條件和步驟相同，熱絲和等離子體化學(xué)氣相沉積的反應(yīng)時間為 30min,制得的碳微粒電極比容量為40F/g。實施例12.
與實施例1其它條件和步驟相同，熱絲和等離子體化學(xué)氣相沉積的反應(yīng)時間為 60min,制得的碳微粒電極比容量為50F/g。
權(quán)利要求
1.一種泡沫鎳原位制備碳微粒超級電容器電極的方法，其特征在于以泡沫鎳為導(dǎo)電骨架，以Ni (NO3)2或!^e(NO3)3作為催化劑，采用熱絲和射頻等離子體復(fù)合化學(xué)氣相沉積工藝，氫氣作為還原氣體，CH4作為碳源，制備碳微粒超級電容器電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述Ni(NO3)2水溶液的濃度范圍為lmol/ L 飽和。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述!^e(NO3)3水溶液的濃度范圍為lmol/ L 飽和。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述CH4吐體積比為1 6 1，反應(yīng)溫度為500°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述熱絲的加熱電流為20 40A。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述射頻等離子體的射頻功率為100 300W。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述熱絲和射頻等離子體復(fù)合化學(xué)氣相沉積時間為30 60min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種泡沫鎳原位制備碳微粒超級電容器電極的方法，以泡沫鎳作為電容器電極的導(dǎo)電骨架，以Ni(NO3)2或Fe(NO3)3為催化劑，將泡沫鎳在1mol/L～飽和的Ni(NO3)2或Fe(NO3)3水溶液中浸泡3h，干燥后放入熱絲和射頻等離子體復(fù)合化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中，在抽真空，通氮氣條件下將泡沫鎳基片加熱至500℃后，通入高純氫氣進行還原，還原時間為60min；再通入甲烷進行化學(xué)氣相沉積反應(yīng)，CH4∶H2的體積比為1～6∶1，熱絲電流為20～40A，射頻功率為100～300W，反應(yīng)時間為30～60min，得到原位生長在泡沫鎳骨架上的碳微粒電極；本方法是直接將碳微粒原位生長在泡沫鎳骨架上，碳微粒與泡沫鎳之間的接觸面積更大，粘結(jié)效果更好；減少了傳統(tǒng)工藝中的合漿步驟，進一步降低生產(chǎn)成本。
文檔編號H01G9/04GK102509627SQ20111037063
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者劉麗英, 張海燕, 曾國勛, 陳易明, 陳雨婷 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)