多孔镍纸及其制备方法、电极片及其制备方法与流程

本发明涉及一种多孔镍纸及其制备方法，以及采用该多孔镍纸制得的电极片及其制备方法。

背景技术：

柔性超级电容器由于其轻薄、小巧、较高的比电容、超高能量密度和功率密度、使用寿命长和快速充放电的特点，因此在能源领域有着广阔的应用前景，吸引了众多科研工作者的兴趣。而柔性超级电容器可弯曲的特点对便携式、可穿戴电子装置的发展起着至关重要的作用。柔性超级电容器的电极材料应该具有较好的柔性，在一定角度范围内能够进行弯曲，但是同时还必须保证电极材料同时具有较高的电子传输速率和离子扩散速率。

植物纤维纸具有较好的柔韧性、吸湿性、纤维表面粗糙、孔隙率较大的特点。但是植物纤维纸电化学活性较差，无法直接应用为电极材料。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种导电性较好的多孔镍纸及其制备方法。

此外，还有必要提供一种采用上述多孔镍纸制得的电极片及其制备方法。

采用经过敏化处理和活化处理的植物纤维纸分别通过化学镀和电镀沉积金属镍制备多孔镍纸，利用植物纤维的柔性，赋予多孔镍纸可弯曲的特点；植物纤维表面粗糙，使得金属镍在植物纤维表面容易附着，且粘附力较大，不易脱落；同时制得的植物纤维具有较好的吸湿性和较大的空隙率，使得电解质中的离子可以在多孔镍纸表面和电解质之间快速扩散。因此，所制得的多孔镍纸的导电性较好。

附图说明

图1为一实施方式的多孔镍纸的制备方法的流程图；

图2为一实施方式的电极片的制备方法的流程图；

图3为实施例1制备的电极片的X射线衍射图谱；

图4a为实施例1制备的电极片的场发射扫描电镜图片；

图4b为图4a的局部放大的高倍扫描电镜图；

图5a为实施例1制备的电极片的电化学阻抗图谱；

图5b为图5a的局部放大图；

图6为实施例1制备的电极片的循环伏安曲线图；

图7为实施例1制备的电极片的恒电流充放电曲线图。

具体实施方式

下面主要结合附图及具体实施例对多孔镍纸及其制备方法，以及采用该多孔镍纸制得的电极片及其制备方法作进一步详细的说明。

如图1所示的一实施方式的多孔镍纸的制备方法，包括如下步骤：

S110、对植物纤维纸进行敏化处理，得到敏化处理后的植物纤维纸。

植物纤维纸可以为滤纸、吸水纸、全棉纤维纸、全木浆纸或打印纸。

S110中，对植物纤维纸进行敏化处理，得到敏化处理过的植物纤维纸的操作为：将植物纤维纸浸入温度为0℃～100℃的敏化液中，浸泡20min～200min后取出植物纤维纸并用去离子水洗净得到敏化处理过的植物纤维纸。

敏化液采用二价锡盐和盐酸的混合溶液，二价锡盐为氯化亚锡、硫酸亚锡或草酸亚锡。敏化液中二价锡离子的浓度为0.01mol/L～0.1mol/L，敏化液中盐酸的浓度为0.01mol/L～1.50mol/L。

S120、对S110得到的敏化处理过的植物纤维纸进行活化处理，得到活化处理后的植物纤维纸。

S120中，对敏化处理过的植物纤维纸进行活化处理，得到活化处理后的植物纤维纸的操作为：将敏化处理过的植物纤维纸浸入0℃～100℃的活化液中，浸泡20min～200min后取出植物纤维纸并用去离子水洗净得到活化处理后的植物纤维纸；

活化液为钯盐和盐酸的混合溶液，钯盐为氯化钯、碘化钯、醋酸钯或硝酸钯。活化液中钯离子的浓度为0.0001mol/L～0.001mol/L，活化液中盐酸的浓度为0.01mol/L～1.50mol/L。

S130、将S120得到的活化处理过的植物纤维纸浸入化学镀A液中，先维持温度为0℃～100℃并浸泡20min～200min，然后升温至70℃～100℃并且加入氨水调节溶液的pH值在7～12之间，搅拌均匀后加入化学镀B液反应20min～120min，反应结束洗净、烘干，得到在植物纤维纸上沉积有金属镍的初级多孔镍纸。

化学镀A液为含有镍离子和柠檬酸根离子的混合溶液，化学镀B液为次亚磷酸盐溶液。

本实施方式中，化学镀A液为硫酸镍、氯化镍、醋酸镍和硝酸镍中的一种与柠檬酸、柠檬酸钠、柠檬酸钾和柠檬酸铵中的一种形成的混合溶液。

化学镀A液中镍离子的浓度为0.01mol/L～0.1mol/L，化学镀A液中柠檬酸根离子的浓度为0.015mol/L～0.15mol/L。

本实施方式中，化学镀B液为浓度为0.02mol/L～0.2mol/L的次亚磷酸钠溶液、次亚磷酸钾溶液或次亚磷酸铵溶液。

S130中，反应结束洗净的操作为：分别用去离子水、95％乙醇冲洗三次。

S130中，化学镀B液加入的方式为分成多次加入，具体的，可以为分成3次～10次加入化学镀B液。

S140、采用电镀三电极体系，以S130得到的初级多孔镍纸为工作电极，以镍盐和氯化铵的混合溶液或镍盐和氟化铵的混合溶液为电镀电解液，采用恒电压阴极还原法进行电镀，得到多孔镍纸。

电镀三电极体系中，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，工作电压为-0.1V～-2V，电镀的时间为1min～15min。

电镀电解液为硫酸镍、氯化镍、醋酸镍和硝酸镍中的一种与氯化铵和氟化铵中的一种形成的混合溶液。

电镀电解液中镍离子的浓度为0.01mol/L～0.1mol/L，电镀电解液中氯化铵或氟化铵的浓度为0.01mol/L～1.0mol/L。

通过阴极还原法进行电镀，进一步提高多孔镍纸的导电性，同时在多孔镍 纸表面形成多孔结构，增大比表面积。

由于植物纤维具有吸湿性较好、纤维表面粗糙、孔隙率较大的特点，金属离子可以轻易渗进纤维内部以及纤维与纤维之间的空隙，并且吸附在纤维表面，经过化学镀反应之后，成功在纤维表面包覆一层金属镍，极大地提高了纤维的导电性；电镀镍可以进一步提高纤维的导电性，并且在反应过程中有大量气体产生，最终形成多孔形貌，增大了比表面积。

一实施方式的多孔镍纸，采用上述的多孔镍纸的制备方法制备得到。

这种多孔镍纸具有优异的电化学活性。

如图2所示的一实施方式的电极片的制备方法，包括如下步骤：

S210、采用如上所述的多孔镍纸的制备方法制备多孔镍纸。

S220、采用电沉积三电极体系，以S210得到的多孔镍纸为工作电极，以含有锰盐和硫酸盐的混合溶液或钴盐和镍盐的混合溶液为电沉积电解液，采用恒电压阳极沉积法进行电沉积，得到电极片。

电沉积三电极体系中，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，工作电压为0.1V～3V，电沉积的时间为1min～20min。

电沉积电解液可以为硫酸锰、乙酸锰、碳酸锰和氯化锰中的一种与硫酸钠和硫酸钾中的一种形成的混合溶液；电沉积电解液中锰离子的浓度为0.01mol/L～1mol/L，电沉积电解液中硫酸根离子的浓度为0.01mol/L～1mol/L。

电沉积电解液还可以为氯化钴、硫酸钴和硝酸钴中的一种与硫酸镍、氯化镍、醋酸镍和硝酸镍中的一种形成的混合溶液；电沉积电解液中钴离子的浓度为0.01mol/L～1.00mol/L，电沉积电解液中镍离子的浓度为0.01mol/L～1.00mol/L。

经过阳极电沉积反应，在多孔镍纸表面，成功包覆一层活性物质，活性物质与金属镍紧密接触，导电性略有下降，但最终的结果是比电容得到显著提高。

这种电极片的制备方法制得的电极片，具有优异的导电性和多孔表面结构，因而具有较高的比电容，在便携式、可穿戴电子装置领域有着广阔的应用前景。

一实施方式的电极片，采用上述的电极片的制备方法制备得到。

这种电极片具有优异的导电性和多孔表面结构，因而具有较高的比电容，在便携式、可穿戴电子装置领域有着广阔的应用前景。

下面为具体实施例。

实施例1

1、称取2.0g无水氯化亚锡加入100mL高纯水中，得到乳白色混浊液体，滴入1mL浓盐酸，搅拌均匀，得到无色透明溶液，即敏化液。然后将滤纸浸泡在敏化液中，30℃下保温30min，取出，用去离子水冲洗三次。称取0.1g氯化钯分散到1000mL的高纯水中，加入1mL浓盐酸，搅拌均匀，得到棕黄色溶液，即活化液，然后将上述敏化处理过后的滤纸浸泡在20mL活化液中，30℃下保温3h，取出，用去离子水冲洗三次。称取8g NiSO₄·6H₂O，12g柠檬酸溶于640mL高纯水中，搅拌均匀，得到浅绿色溶液，即化学镀A液，然后将上述活化处理过后的滤纸浸泡在250mL化学镀A液中，升温至50℃，保温1h，升温至70℃，加入氨水，使pH值稳定在10左右。称取6g次亚磷酸钠溶于80mL高纯水中，得到无色溶液，即化学镀B液。每次量取10mL化学镀B液，分8次缓慢加入化学镀A液中，间隔时间为5min，滴加完毕后，继续反应30min，结束反应，取出化学镀镍纸，分别用去离子水、95％乙醇冲洗三次，放入真空烘箱中，在80℃下干燥8h，得到初级多孔镍纸。

2、称取2g NiSO₄·6H₂O，3g NH₄Cl溶于50mL高纯水中，搅拌均匀。将初级多孔镍纸在上述溶液中进行电镀，采用三电极体系：初级多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：-2V；反应时间：8min；反应温度：室温。反应结束后，取下初级多孔镍纸，用去离子水和95％乙醇分别冲洗三次，在真空烘箱中，80℃下干燥8h，得到多孔镍纸。

3、配制0.5M的醋酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL作为电解液，进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：3V；反应时间：10min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

图3为实施例1制备的电极片的X射线衍射图谱。由图3可以看出，Ni的衍射峰与Ni的标准XRD图谱相符，主峰所对应的晶面为(111)、(200)、(220)， 无其它明显杂质峰，表明结晶性很好。MnO₂的衍射峰位置与标准XRD图谱相对应，表明反应过程中生成了MnO₂，且纯度较高。

图4a为实施例1制备的电极片的场发射扫描电镜图片，图4b为图4a的放大的高倍扫描电镜图。由图4a可以看出，实施例1制备的电极片的表面存在很多的凹坑结构，并且凹坑与凹坑之间有很多的空隙，表明经过电化学沉积之后，电极片的比表面积增大，有利于电解液的渗透以及离子在电极表面和电解质之间的快速扩散。由图4b可以看出，在Ni的表面成功包覆一层片状活性物质MnO₂。

图5为实施例1制备的电极片的电化学阻抗图谱。由图5可以看出，曲线在高频部分为半圆形，低频部分为直线，表明实施例1制备的电极片的导电性良好，并且离子扩散速率较快；曲线在实轴的截距为4.58Ω，表明电解液的电阻、实施例1制备的电极片的固有电阻以及电解液和实施例1制备的电极片表面的接触电阻总和，即等效串联电阻R_s非常小。

图6为实施例1制备的电极片的循环伏安曲线图。由图6可以看出，曲线的形状为近似矩形，随着扫描速率的增大，电流增大，曲线积分面积增大，但是曲线形状并无明显变化，经计算，扫描速率为5mV/s时，比电容高达1900mF/cm²。

图7为实施例1制备的电极片的恒电流充放电曲线图。由图7可以看出，放电曲线为近似直线，表明实施例1制备的电极片的充放电性能较好。

实施例2

1、重复实施例1中的步骤1。

2、重复实施例1中的步骤2。

3、配制0.5M的醋酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL作为电解液，进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：3V；反应时间：8min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

实施例3

1、重复实施例1中的步骤1。

2、重复实施例1中的步骤2。

3、配制0.5M的醋酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL作为电解液进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：3V；反应时间：4min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

实施例4

1、重复实施例1中的步骤1。

2、称取2g NiSO₄·6H₂O，3gNH₄Cl溶于50mL高纯水中，搅拌均匀。将初级多孔镍纸在上述溶液中用电化学工作站进行电镀，采用三电极体系：初级多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：-1.6V；反应时间：8min；反应温度：室温。反应结束后，取下初级多孔镍纸，用去离子水和95％乙醇分别冲洗三次，在真空烘箱中，80℃下干燥8h，得到多孔镍纸。

3、配制0.5M的醋酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL作为电解液进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：3V；反应时间：10min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

实施例5

1、重复实施例1中的步骤1。

2、称取2g NiSO₄·6H₂O，3gNH₄Cl溶于50mL高纯水中，搅拌均匀。将初级多孔镍纸在上述溶液中进行电镀，采用三电极体系：初级多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：-2.0V；反应时间：10min；反应温度：室温。反应结束后，取下初级多孔镍纸，用去离子水和95％乙醇分 别冲洗三次，在真空烘箱中，80℃下干燥8h，得到多孔镍纸。

3、配制0.5M的醋酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL作为电解液进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：3V；反应时间：10min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

实施例6

1、重复实施例1中的步骤1。

2、称取2g NiSO₄·6H₂O，3gNH₄Cl溶于50mL高纯水中，搅拌均匀。将初级多孔镍纸在上述溶液中进行电镀，采用三电极体系：初级多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：-1.6V；反应时间：10min；反应温度：室温。反应结束后，取下初级多孔镍纸，用去离子水和95％乙醇分别冲洗三次，在真空烘箱中，80℃下干燥8h，得到多孔镍纸。

3、配制0.5M的醋酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL作为电解液进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：3V；反应时间：10min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

实施例7

1、重复实施例1中的步骤1。

2、称取2g NiSO₄·6H₂O，3gNH₄Cl溶于50mL高纯水中，搅拌均匀。将初级多孔镍纸在上述溶液中进行电镀，采用三电极体系：初级多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：-2.0V；反应时间：8min；反应温度：室温。反应结束后，取下初级多孔镍纸，用去离子水和95％乙醇分别冲洗三次，在真空烘箱中，80℃下干燥8h，得到多孔镍纸。

3、配制0.5M的醋酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL 作为电解液进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：1.5V；反应时间：10min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

实施例8

1、重复实施例1中的步骤1。

2、称取2g NiSO₄·6H₂O，3gNH₄Cl溶于50mL高纯水中，搅拌均匀。将初级多孔镍纸在上述溶液中进行电镀，采用三电极体系：初级多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：-2.0V；反应时间：10min；反应温度：室温。反应结束后，取下初级多孔镍纸，用去离子水和95％乙醇分别冲洗三次，在真空烘箱中，80℃下干燥8h，得到多孔镍纸。

3、配制0.5M的醋酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL作为电解液进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：1.5V；反应时间：15min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

实施例9

1、重复实施例1中的步骤1。

2、称取2g NiSO₄·6H₂O，3gNH₄Cl溶于50mL高纯水中，搅拌均匀。将初级多孔镍纸在上述溶液中进行电镀，采用三电极体系：初级多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：-2.0V；反应时间：8min；反应温度：室温。反应结束后，取下初级多孔镍纸，用去离子水和95％乙醇分别冲洗三次，在真空烘箱中，80℃下干燥8h，得到多孔镍纸。

3、配制0.5M的醋酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL作为电解液进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：1.5V；反应时间：20min；反应温度： 室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

实施例10

1、重复实施例1中的步骤1。

2、称取2g NiSO₄·6H₂O，3gNH₄Cl溶于50mL高纯水中，搅拌均匀。将初级多孔镍纸在上述溶液中进行电镀，采用三电极体系：初级多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：-2.0V；反应时间：8min；反应温度：室温。反应结束后，取下初级多孔镍纸，用去离子水和95％乙醇分别冲洗三次，在真空烘箱中，80℃下干燥8h，得到多孔镍纸。

3、配制0.5M的醋酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL作为电解液进行电镀，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：1.5V；反应时间：30min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

实施例11

1、重复实施例1中的步骤1。

2、重复实施例1中的步骤2。

3、配制0.5M的氯化锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL作为电解液进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：3V；反应时间：8min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

实施例12

1、重复实施例1中的步骤1。

2、重复实施例1中的步骤2。

3、配制0.5M的硫酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL作为电解液进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：3V；反应时间：8min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

实施例13

1、重复实施例1中的步骤1，区别在于：将滤纸更换为打印纸。

2、重复实施例1中的步骤2。

3、配制0.5M的硫酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL作为电解液进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：3V；反应时间：10min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

实施例14

1、重复实施例1中的步骤1，区别在于：将滤纸更换为吸水纸。

2、重复实施例1中的步骤2；

3、配制0.5M的硫酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL作为电解液进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：3V；反应时间：10min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

实施例15

1、重复实施例1中的步骤1，区别在于：将滤纸更换为棉纤维纸。

2、重复实施例1中的步骤2。

3、配制0.5M的硫酸锰和无水硫酸钠的混合溶液，溶液为粉红色。量取50mL 作为电解液进行电沉积，采用三电极体系：多孔镍纸为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；电压：3V；反应时间：10min；反应温度：室温。反应结束后，取下多孔镍纸，用去离子水冲洗三次，在60℃烘箱中，干燥8h，即为所制备的电极片。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。