一种超级电容器阴极材料的构筑方法技术

本发明专利技术公开了一种超级电容器阴极材料的构筑方法，属新能源存储领域，具体方法如下：采用简单的水热法及还原处理制备了富含Se空位的Mn掺杂Ni3Se4，Mn施主掺杂剂不仅可以释放大量自由电子，Se空位还可以把这些电子聚集起来，在充放电过程中可提供更多且有效的电子转移。本发明专利技术制得的阴极材料呈现出大的比容量和高的倍率性能，在1Ag

【技术实现步骤摘要】
一种超级电容器阴极材料的构筑方法


[0001]本专利技术涉及新能源存储领域，具体涉及一种超级电容器阴极材料的构筑方法。
技术背景
[0002]超级电容器是近年来发展起来的一种新型储能器件，具有功率密度高、充电速度快、循环使用寿命长、工作温度范围广、安全性能好及环保等优点，在新能源汽车、微型通讯设备、重型机械、航空航天等领域具有广阔的应用前景(中国专利技术专利，申请号201810202685.6)。众所周知，超级电容器的性能完全依赖于其电极材料。然而，与充电电池相比，目前超级电容器依然缺乏高性能的电极材料，这严重地制约了其工业化生产进程(Energy&Environmental Science,2016,9,102
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106.Advanced Energy Materials,2019,9,1802928)。因此，设计并构筑一种新型的且具有优异电化学性能的电极材料对提高超级电容器的能量密度具有十分重要的意义。
[0003]近年来，研究人员往往通过设计新型阴极材料来提高超级电容器的电荷储存能力，他们试图用NiMoO4，CoNi
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MOF，NiCoP/NiCo
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OH，MoS2,Fe2O3，NiCoSe2等过渡金属化合物作为正极材料，这主要是由于它们具有较高的理论比电容，优异的氧化还原特性和电化学活性，并且原料丰富、环境友好及价格低廉等优势(Nature Communications,2017,8,14264.Advanced Energy Materials,2017,7,1700294.Advanced Functional Materials,2018,28,1800036.Nature Nanotechnology,2015,10,313
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318.中国专利技术专利，申请号201310058911.5；中国专利技术专利，申请号201611200095.7)。然而，这些化合物都存在电子传输能力差和倍率低的缺点。为了克服上述问题，研究人员往往利用导电性较好及比表面积较大的碳材料作为骨架与其进行复合，或把两种及以上过渡金属化合物进行复合(Advanced Energy Materials,2018,8,1702247.Nano Energy,2017,35,331
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340.Energy&Environmental Science,2016,9,1299
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1307.Adv.Energy Mater.2016,6,1600341)。尽管上述制备出的复合电极材料比电容比单一活性材料的高，但其倍率性能仍不能满足新型高性能超级电容器的需求，极大地阻碍了其在超级电容器中的实际应用。因此，如何构筑内部活性高、电子传输能力快且具有离子吸/脱附性强的电极材料，并系统探究其对电极材料比电容和倍率性能的影响规律，是该领域面临的巨大挑战，也是超级电容器未来规模化应用所必须克服的瓶颈问题。
[0004]掺杂通常会在禁带中引入掺杂能级，这使得载流子更容易转移到导带底，从根本上提高了电子传输速率，因此，有助于在高电流密度下的快速电化学反应动力学。同时，阳离子掺杂通常会增加金属化合物的表面能，从而提高离子吸附能力[Adv.Energy Mater.2019,9,1902278]，并且还可能会产生一些缺陷或空位，主要能够增强暴露的电化学活性表面积[29，30]；在众多掺杂剂中，Mn多价态、储量丰富和环境友好等特性[Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,6794.DaltonTrans.2020,49,6718.Nat.Energy,2019,4,594.]，最近，研究人员构建了多种Mn掺杂金属化合物作为超级电容器阴极[DaltonTrans.2020,49,6718.Chem.Eng.J.2019,372,452.]尽管Mn施主掺杂剂可以提供更
多的电子，但他们没有采取任何措施收集这些电子，这导致了电子在任意方向上移动，不可避免地使它们与一些内部悬空键或缺陷结合。因此，在氧化还原反应的过程中，实际电荷转移量大大地减少，进一步导致较差的比容量和倍率特性。因此，如何探索使Mn施主掺杂剂释放的电子最大化，并开发有效聚集这些电子的有效策略，仍然是具有挑战性的问题。
[0005]研究发现，在金属化合物中引入阴离子空位，可使多价金属阳离子周围同时出现正电荷状态，这可为聚集更多的电子提供强有力的吸附位点，以促进氧化还原反应，[38，39]因此，有效地避免了Mn施主掺杂剂释放的大量电子的耗散。同时，空位缺陷的存在在一定程度上干扰了周围原子，导致它们的配位数减少，在空位部分不可避免地产生大量暴露的不饱和悬挂键，这可以作为外来离子或中间物种强大的吸附位置，以达到体系更稳定的状态；此外，空位缺陷可以对活性材料中的离子插层/脱层产生深远的影响，减少相邻层之间的应力集中和静电排斥，直接充当加速离子迁移的“高速公路”通道，有效克服其在充电/放电过程中的扩散障碍。因此，它极大地提高了电极材料的反应动力学和倍率性能。此外，这些产生的空位缺陷可以增加系统的表面能，从而产生大量的活性中心，使更多的电极材料接触电解质离子进行氧化还原反应，进而提高其比容量。因此，在Mn掺杂Ni3Se4的基础上，再引入丰富的Se空位有望大幅提升此阴极材料的比电量和倍率性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决超级电容器阴极材料比容量低及倍率特性差等缺点。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术手段：
[0008]一种超级电容器阴极材料的构筑方法，具体方法如下：
[0009]采用水热法及还原处理获得了具有丰富Se空位的Mn掺杂Ni3Se4超级电容器阴极材料，此类施主掺杂不仅可以释放大量的电子，而且Se空位还可把这些电子有效聚集起来。
[0010]本专利技术进一步的优选方案：将0.67mmolNi(NO3)2·
6H2O，80μlMn(NO3)2及4mmol六次甲基四胺置入50ml蒸馏水中，120℃下水热8h，得到Mn掺杂Ni3Se4前驱体；再在8mgSe粉及15mgKBH4溶液中180℃下水热4h对上述前驱体进行硒化，获得Mn掺杂Ni3Se4；最后，将其置入管式炉中，Ar/H2气氛下400℃煅烧2h，得到含有丰富Se空位的Mn掺杂Ni3Se4。
[0011]本专利技术进一步的优选方案：所述阴极极材料呈现出大的比容量和高的倍率性能，在1Ag
‑1下其比容量为357mAhg
‑1，当电流密度增加至100Ag
‑1后，其比容量仍能保持原始比电容的77％。
[0012]本专利技术的有益效果：
[0013](1)、本专利技术所制备的一种富含Se空位的Mn掺杂Ni3Se4阴极材料的Mn掺杂量为5.01％，此施主掺杂不仅可以释放更多的电子，而且还可以产生掺杂能级，大大加快了电子传输速率，促进了其倍率性能。
[0014](2)、本专利技术阴极材料中引入了大量的Se空位，这不仅可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器阴极材料的构筑方法，其特征在于，具体方法如下：采用水热法及还原处理获得了具有丰富Se空位的Mn掺杂Ni3Se4超级电容器阴极材料，此类施主掺杂不仅可以释放大量的电子，而且Se空位还可把这些电子有效聚集起来。2.根据权利要求1所述的一种超级电容器阴极材料的构筑方法，其特征在于，将0.67mmolNi(NO3)2·
6H2O，80μlMn(NO3)2及4mmol六次甲基四胺置入50ml蒸馏水中，120℃下水热8h，得到Mn掺杂Ni3Se4前驱体；再在8m...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵健，王艺伟，张玉晓，高歌，李镇江，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：