一种高能量密度的电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高能量密度的电极材料及其制备方法，涉及电化学技术领域。一种高能量密度的电极材料，包括金属基体和形成于所述金属基体表面的复合金属氧化物涂层，复合氧化物涂层包括SnO2、Co3O4和RuO2，其中，Sn、Co和Ru的摩尔比为1～4:2～5:4。其制备方法为：对金属基体进行刻蚀，并配置得到Sn、Co和Ru的复合金属盐溶液，将复合金属盐溶液涂在金属基体上，在280‑300℃条件下热氧化处理20～50min。制备方法简单，易于操作，制得的电极材料有效减少了钌的用量，具有很高的比电容值，具有广阔的市场应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种高能量密度的电极材料及其制备方法
本专利技术涉及电化学材料领域，且特别涉及一种高能量密度的电极材料及其制备方法。
技术介绍
超级电容器由于其拥有着远高于蓄电池的比功率以及比容量，目前作为一种新型电化学储能装置会被广泛重视，具有高能量密度的超级电容器及其关键材料一直是人们研究开发的热点。超级电容器通常被分为双层电容器和法拉第准电容器两种，两者的电极材料分别为高比表面积碳材料和过渡金属氧化物和导电聚合物。金属氧化物基于自身的氧化还原反应可获得很高的赝电容，RuO2材料电极拥有高比容量、低电阻率的良好特性，使用RuO2材料制备的超级电容器拥有非常重要的研究前景及用途。但钌价格昂贵，限制其商业化的应用。降低含钌电极的原料成本和制作成本是实现其商业化的关键。专利技术人研究发现，通过添加其他金属组元可提高氧化钌的分散性，增大电极的结构缺陷，可有效提高电极的活性。现有技术中，通常是通过水热法或溅射法沉积以制备钌的二元氧化物从而提高电极的活性，但是，上述制备方法复杂，且对电极活性的提升有限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高能量密度的电极材料，此电极材料通过三种晶体结构不同的金属氧化物，采用科学合理的配比，有效提高电极的电容性能。本专利技术的另一目的在于提供一种高能量密度的电极材料的制备方法，步骤简单、易于操作、适用于工业化大规模生产。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本专利技术提出一种高能量密度的电极材料，包括金属基体和形成于所述金属基体表面的复合金属氧化物涂层，所述复合氧化物涂层包括SnO2、Co3O4和RuO2，其中，Sn、Co和Ru的摩尔比为1～4:2～5:4。本专利技术提出一种高能量密度的电极材料的制备方法，包括以下步骤：S1，对金属基体进行表面刻蚀处理；S2，分别配置得到Sn、Co和Ru的金属盐溶液，然后按照Sn、Co和Ru的摩尔比将Sn、Co和Ru的金属盐溶液混合溶解于乙醇中，得到复合金属盐溶液；S3，将复合金属盐溶液涂覆在经表面刻蚀处理的所述金属基体表面，烘干固化后，在280-300℃条件下热氧化处理20～50min。本专利技术实施例的有益效果是：通过Sn、Co和Ru的混合，得到三元复合金属氧化物，电极材料的组织结构和电化学性能专利技术明显改变。改善了氧化钌的分散性，形成高密度的结构缺陷，有效提高了电极的活性点密度和电化学粗糙度，复合金属氧化物电极的比电容达到780～1161F/g。此外，采用涂覆然后进行热氧化处理，制备方法简单，参数易于控制，适用于大规模工业化生产。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术实施例1中制得的电极材料的形貌图；图2为本专利技术实施例1中不同退火温度下制得的电极材料的XRD图谱。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本专利技术实施例的高能量密度的电极材料及其制备方法进行具体说明。本专利技术实施例提供一种高能量密度的电极材料，包括金属基体和形成于金属基体表面的复合金属氧化物涂层。复合金属氧化物涂层包括SnO2、Co3O4和RuO2，其中，Sn、Co和Ru的摩尔比为1～4:2～5:4。进一步地，在本专利技术较佳实施例中，复合金属氧化物涂层中，Sn、Co和Ru的摩尔比为3:3:4。选择特定的三种金属氧化物，形成三元复合金属氧化物涂层，有效地提高了产品的性能，特别是，在该比例下电极的比电容值达到最佳。进一步地，在本专利技术较佳实施例中，金属基体选自钛、钽、铂、不锈钢中的一种。进一步地，金属基体为钛基体。金属钛的导电性好，机械强度高，且易于加工。进一步地，在本专利技术较佳实施例中，复合金属氧化物涂层和金属基体中间还涂覆有SnO2-RuO2复合层。SnO2具有良好的化学稳定性和电化学稳定性，加入SnO2可改善电极材料的可逆性、快速充放电性能、电荷储存能力和循环性能。现在金属基体上形成SnO2-RuO2复合层，在涂覆上三元的复合金属氧化物涂层，形成双层结构，具有更大的表面积，能有有效提升电极的性能，且能够避免基体的腐蚀，延长寿命。一种上述的高能量密度的电极材料的制备方法，包括以下步骤：S1，对金属基体进行表面刻蚀处理；S2，分别配置得到Sn、Co和Ru的金属盐溶液，然后按照Sn、Co和Ru的摩尔比分别将Sn、Co和Ru的金属盐溶液混合溶解于乙醇中，得到复合金属盐溶液；S3，将复合金属盐溶液涂覆在经表面刻蚀处理后的金属基体表面，烘干固化后，在280-300℃条件下热氧化处理20～50min。进一步地，在本专利技术较佳实施例中，金属基体的表面刻蚀处理步骤包括：将金属基体置于质量分数为8～15％的草酸溶液中，处理1～4h，清洗、干燥。经过酸刻蚀能够除去钛基体表面的氧化膜，在基体表面形成凹凸不平的麻面状，改善黏附性能，电极性能得到提升。更进一步地，酸处理的过程为将金属基体置于草酸溶液中在220W的条件下微波处理10～15min，然后取出，煮沸1h。先在酸液中微波处理一段时间，能够有效提高酸刻蚀效果，形成均匀细密的刻蚀表面，有效缩短反应时间。进一步地，分别配置得到1mol/LSnCl2、CoCl3、RuCl3的溶液，按照Sn:Co:Ru的摩尔百分比为1～4:2～5:4分别取适量的SnCl2、CoCl3、RuCl3，将其溶于乙醇于超声中混合均匀，得到复合金属盐溶液。进一步地，复合金属盐溶液中，金属离子的总浓度为0.3～0.5mol/L。进一步地，涂覆复合金属盐溶液后，在60～70℃条件下烘干10～20min，然后进行热处理。在适宜的温度下进行烘干固化，能够有效去除金属盐溶液中的溶剂成分。热氧化的目的是使金属盐类在氧化气氛中，高温下转化为有一定晶型和一定氧含量的金属氧化物。热氧化温度对于电极的性能具有重要影响。不同工艺条件下，会形成不同电极材料的微观结构。温度过低，则热处理温度升高后，涂层的烧结性好，氧化完全，涂层活性好。在较低的温度下进行热氧化处理，电极氧化物涂层是以无序非晶态组织为基体，在其中嵌入有少量晶态颗粒的组织结构。这种结构有助于电解液的渗透和扩散，电子和质子的传导，从而提高参与电化学反应的活性物质RuO2的利用率。不同的热处理温度将影响复合金属氧化物涂层的非晶态结构，进而显著影响电极的比电容。优选地，热氧化工艺为：涂覆完成后，以10～18℃/min的速率升温至290℃，退火30min，该条件下，能够获得更好的比电容值。进一步地，在本专利技术其他实施例中，在步骤S1之后，步骤S3之前，还包括在金属基体表面形成SnO2-RuO2复合层的步骤：配置得到Sn、Ru的摩尔比为3～5:1的Sn-Ru前驱体溶液，涂覆在金属基体表面，烘干固化后，在160～220℃条件下热氧化处理50～80min。烘干条件为在60～70℃条件下烘干10～20min。进一步地，Sn-Ru前驱体溶液按照以下步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高能量密度的电极材料，其特征在于，包括金属基体和形成于所述金属基体表面的复合金属氧化物涂层，所述复合金属氧化物涂层包括SnO2、Co3O4和RuO2，其中，Sn、Co和Ru的摩尔比为1～4:2～5:4。

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度的电极材料，其特征在于，包括金属基体和形成于所述金属基体表面的复合金属氧化物涂层，所述复合金属氧化物涂层包括SnO2、Co3O4和RuO2，其中，Sn、Co和Ru的摩尔比为1～4:2～5:4。2.根据权利要求1所述的高能量密度的电极材料，其特征在于，所述复合金属氧化物涂层中，Sn、Co和Ru的摩尔比为3:3:4。3.根据权利要求1所述的高能量密度的电极材料，其特征在于，所述金属基体选自钛、钽、铂、不锈钢中的一种。4.根据权利要求1所述的高能量密度的电极材料，其特征在于，所述复合金属氧化物涂层和所述金属基体中间还涂覆有SnO2-RuO2复合层。5.一种如权利要求1所述的高能量密度的电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，对所述金属基体进行表面刻蚀处理；S2，分别配置得到Sn、Co和Ru的金属盐溶液，然后按照Sn、Co和Ru的摩尔比将Sn、Co和Ru的金属盐溶液混合溶解于乙醇中，得到复合金属盐溶液；S3，将所述复合金属盐溶液涂覆在经表面刻蚀处理的所述金属基体表面，烘干固化后，在280-300℃条件下热氧化处理20～50min。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：麻季冬，朱君秋，连志翔，张栋兴，吴杭健，张厚安，
申请(专利权)人：厦门理工学院，
类型：发明
国别省市：福建,35