本發(fā)明屬于納米復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的鐵酸鎳納米顆粒電極材料及制備方法和用途。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，化石能源所引發(fā)的環(huán)境惡化、能源枯竭受到各國(guó)的高度關(guān)注，而新型的能源存儲(chǔ)設(shè)備如超級(jí)電容器(ecs)由于充放電速率高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，工作溫度范圍寬，對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，被科學(xué)家公認(rèn)為是最有潛力緩解能源危機(jī)的儲(chǔ)能裝置。

電極材料是超級(jí)電容器的重要組成部分，是影響超級(jí)電容器生產(chǎn)成本和性能的關(guān)鍵因素。超級(jí)電容器電極材料主要有碳材料、金屬氧化物材料和導(dǎo)電聚合物材料。碳材料具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，但其比電容偏低且抗氧化能力較差。導(dǎo)電聚合物電極材料具有良好的導(dǎo)電性，但導(dǎo)電聚合物電極材料長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，熱穩(wěn)定性差，易氧化，安全性低。金屬氧化物材料由于可發(fā)生快速可逆的氧化還原反應(yīng)，從而具有較高的法拉第贗電容但仍然存在貴金屬價(jià)格昂貴，過渡金屬氧化物比電容相對(duì)較低等問題。因此，當(dāng)務(wù)之急是探索具有高性能和環(huán)境友好為實(shí)際應(yīng)用更便宜的電極材料。

本發(fā)明的鐵酸鎳納米顆粒電極材料，在電流密度為4a/g下，經(jīng)過1500次的恒流充放電，電容量仍保持80.3％，具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。除此之外該材料具有較高的比電容值，在電化學(xué)裝置的領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在提供一種簡(jiǎn)易可靠的基于鐵酸鎳納米顆粒電極材料的制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是將一定量的氯化鎳、硝酸鐵、六亞甲基四胺、氟化銨的粉體加入蒸餾水，混合均勻，轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯襯底的反應(yīng)釜中，經(jīng)高溫水熱反應(yīng)后，將產(chǎn)物洗滌、干燥得到鐵酸鎳納米材料，再將所得材料制成超級(jí)電容器電極。

具體技術(shù)方案如下：

一種鐵酸鎳納米顆粒電極材料，所述鐵酸鎳納米顆粒電極材料中，鐵酸鎳納米顆粒的形貌為不規(guī)則球形顆粒，平均粒徑為47nm；將所述鐵酸鎳納米顆粒用于超級(jí)電容器電極材料，在1500次循環(huán)充放電后，電容值仍保持80.3％以上。

一種鐵酸鎳納米顆粒電極材料的制備方法，步驟如下：

步驟1、前驅(qū)體溶液的制備：

將一定量的鎳鹽、鐵鹽、六亞甲基四胺、氟化銨的粉體加入蒸餾水中，置于100ml燒杯中，放入超聲儀中超聲一段時(shí)間，再用磁力攪拌器攪拌30分鐘使其混合均勻，得到前驅(qū)體溶液，待用；

步驟2、鐵酸鎳納米顆粒電極材料的制備：

將步驟1的前驅(qū)體溶液倒入100ml聚四氟乙烯襯底的反應(yīng)釜中，密封，置于烘箱中，控制烘箱的溫度為140～200℃之間進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)6～20小時(shí)，冷卻至室溫，多次洗滌、真空干燥，即得鐵酸鎳納米顆粒電極材料。

步驟1中，所述的鎳鹽、鐵鹽、六亞甲基四胺、氟化銨的摩爾比為0.2～2：0.2～2：3～10：2～10，所述鎳鹽在蒸餾水中的濃度為5～25mmol/l。

所述的鎳鹽為氯化鎳、硝酸鎳和醋酸鎳中任一種。

所述的鐵鹽為氯化鐵、硝酸鐵和醋酸鐵中任一種。

步驟2中，所述水熱反應(yīng)溫度為140～200℃，時(shí)間為6～20小時(shí)。

鐵酸鎳納米顆粒電極材料作為超級(jí)電容器電極材料的制備：

將購買好的泡沫鎳片用剪刀剪切成寬長(zhǎng)分別為1厘米*5厘米的小塊，然后將其依次分別置于丙酮溶液、稀鹽酸溶液(20％)、水溶液中，并超聲處理各5分鐘。處理好后置于真空干燥箱中干燥，待用。

將鐵酸鎳納米顆粒電極材料與乙炔黑、聚四氟乙烯按質(zhì)量比為7～8：1～2:1均勻混合，得到粘稠的淤漿，再將全部淤漿涂抹到準(zhǔn)備好的泡沫鎳片上，最后在60～150℃干燥3～6小時(shí)冷卻至室溫，得到超級(jí)電容器電極材料。

所述的鐵酸鎳、乙炔黑、聚四氟乙烯質(zhì)量比例為7～8：1～2:1，所述的干燥溫度為60～150度，干燥時(shí)間為3～6小時(shí)。

有益效果：

本發(fā)明提出了一種使用來源豐富，價(jià)格低廉的原料制備鐵酸鎳電極材料的簡(jiǎn)單方法，并可進(jìn)一步作為超級(jí)電容器電極材料。首先，該材料的形貌為納米顆粒，其比表面積較大，有利于電解液與電極材料的充分接觸。其次，該材料的導(dǎo)電性好，電荷在電極/電解質(zhì)中遷移阻力小，并且其空間結(jié)構(gòu)有利于活性離子的插入/脫出。除此以外，該材料作為超級(jí)電容器正極材料的活性物質(zhì)，重復(fù)充放電循環(huán)后，其物理和化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定?？傊景l(fā)明工藝簡(jiǎn)單，重現(xiàn)性好，價(jià)格低廉，符合環(huán)境友好的要求，便于批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所得鐵酸鎳納米顆粒的x射線粉末衍射分析圖(xrd)；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所得鐵酸鎳納米顆粒的掃描電鏡圖(sem)；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所得鐵酸鎳納米顆粒的粒徑分布圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1所得鐵酸鎳納米顆粒的循環(huán)壽命測(cè)試圖。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受限于這些實(shí)例。本發(fā)明實(shí)例中的原料購自上海國(guó)藥集團(tuán)，均為分析純。

實(shí)施例1

將2mmol的氯化鎳、1mmol硝酸鐵、6mmol六亞甲基四胺、5mmol氟化銨的粉體加入80ml蒸餾水，置于100ml燒杯中，放入超聲儀中超聲5分鐘，用磁力攪拌器攪拌30分鐘使其混合均勻。將上述溶液倒入100ml聚四氟乙烯襯底的反應(yīng)釜中，密封，置于烘箱中，控制烘箱的溫度為200℃，反應(yīng)10小時(shí)，冷卻至室溫，多次洗滌、真空干燥，即得鐵酸鎳納米顆粒。所得鐵酸鎳納米顆粒與乙炔黑、聚四氟乙烯按一定質(zhì)量比例8:1:1均勻混合，得到一種粘稠的淤漿，再將全部淤漿涂抹到泡沫鎳片上，最后在150度干燥3小時(shí)冷卻至室溫，得到鐵酸鎳納米顆粒電極材料。圖1中各衍射峰位置和相對(duì)強(qiáng)度均與鐵酸鎳的jpcds卡片(10-0325)相吻合，表明產(chǎn)物為面心立方尖晶石型鐵酸鎳。從圖2可以看出成功制備出了鐵酸鎳納米顆粒。從其粒徑分布圖(圖3)可知制備的鐵酸鎳納米顆粒的平均粒徑為47納米。圖4顯示鐵酸鎳納米顆粒作為超級(jí)電容器電極材料，在1500次循環(huán)充放電后，電容值仍保持80.3％以上。

實(shí)施例2

將2mmol的硝酸鐵、1mmol醋酸鎳、10mmol六亞甲基四胺、5mmol氟化銨的粉體加入80ml蒸餾水，置于100ml燒杯中，放入超聲儀中超聲5分鐘，用磁力攪拌器攪拌30分鐘使其混合均勻。將上述溶液倒入100毫升聚四氟乙烯襯底的反應(yīng)釜中，密封，置于烘箱中，控制烘箱的溫度為180℃，反應(yīng)12小時(shí)，冷卻至室溫，多次洗滌、真空干燥，即得鐵酸鎳納米顆粒。所得鐵酸鎳納米顆粒與乙炔黑、聚四氟乙烯按一定質(zhì)量比例7:2:1均勻混合，得到一種粘稠的淤漿，再將全部淤漿涂抹到泡沫鎳片上，最后在130度干燥5小時(shí)冷卻至室溫，得到鐵酸鎳納米顆粒電極材料。

實(shí)施例3

將2mmol的氯化鎳、2mmol硝酸鐵、3mmol六亞甲基四胺、10mmol氟化銨的粉體加入80ml蒸餾水，置于100ml燒杯中，放入超聲儀中超聲5分鐘，用磁力攪拌器攪拌30分鐘使其混合均勻。將上述溶液倒入100ml聚四氟乙烯襯底的反應(yīng)釜中，密封，置于烘箱中，控制烘箱的溫度為160℃，反應(yīng)6小時(shí)，冷卻至室溫，多次洗滌、真空干燥，即得到鐵酸鎳納米顆粒。所得鐵酸鎳納米顆粒與乙炔黑、聚四氟乙烯按一定質(zhì)量比例8:1:1均勻混合，得到一種粘稠的淤漿，再將全部淤漿涂抹到泡沫鎳片上，最后在100度干燥6小時(shí)冷卻至室溫，得到鐵酸鎳納米顆粒電極材料。

實(shí)施例4

將0.2mmol的醋酸鐵、0.2mmol硝酸鎳、10mmol六亞甲基四胺、2mmol氟化銨的粉體加入40ml蒸餾水，置于50ml燒杯中，放入超聲儀中超聲5分鐘，用磁力攪拌器攪拌30分鐘使其混合均勻。將上述溶液倒入50ml聚四氟乙烯襯底的反應(yīng)釜中，密封，置于烘箱中，控制烘箱的溫度為140℃，反應(yīng)20小時(shí)，冷卻至室溫，多次洗滌、真空干燥，即得鐵酸鎳；將上述鐵酸鎳放入管式爐中在200℃進(jìn)行煅燒，煅燒速度為5度每分鐘，保溫2小時(shí)，得到鐵酸鎳分級(jí)結(jié)構(gòu)納米顆粒。將所得鐵酸鎳與乙炔黑、聚四氟乙烯按一定質(zhì)量比例8:1:1均勻混合，得到一種粘稠的淤漿，再將全部淤漿涂抹上述準(zhǔn)備好的泡沫鎳片上，最后在150度干燥6小時(shí)冷卻至室溫，得到鐵酸鎳納米顆粒電極材料。

對(duì)上述實(shí)例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。