四氧化三钴电极以及与活性炭组成非对称电极的制备方法与流程

本发明涉及电化学科学与能源技术领域，尤其涉及一种四氧化三钴电极以及与活性炭组成非对称电极的制备方法。

背景技术：

超级电容器具有功率密度大、充放电快、循环稳定时间长等优点，是目前最有前途的储能系统之一。然而，传统超级电容器固有的低能量密度严重限制了其广泛的应用，促使研究人员探索性能更好的新型超级电容器。目前用作超级电容器电极的材料主要有三类：碳材料、导电聚合物材料和过渡金属氧化物材料。然而过渡金属氧化物，由于其具有较高的法拉第电容，其电容量远大于活性炭的双电层电容，因此，作为超级电容器的电极材料也被广泛研究并且取得了一定的进展。其中co3o4由于高表面积，可控形状和结构，强电子储存能力和良好的氧化还原性能而被认为是一种合适的电极材料。最近的报道表明，具有特殊微观结构和形态的纳米结构co3o4具有优异的电化学电容性能、超高的理论比电容3560f/g。

然而，为了满足电子设备快速发展的需要，不对称超级电容器(ascs)采用两种不同电极材料组装而成，具有操作电压窗宽的显著优点，目前，有必要对电极材料和器件设计进行优化，进一步提高ascs的能量密度。近年来，通过增加电容和/或增大电压窗来提高asc器件的能量密度已经做了许多尝试。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种四氧化三钴电极以及与活性炭组成非对称电极的制备方法，本方法制备的四氧化三钴电极材料具有高比电容以及良好的结构稳定性、比电容高达4338f/g，而非对称电极具有较宽的电势工作窗口，从而有效提高了超级电容器的能量密度。

为解决上述技术问题，本发明四氧化三钴电极以及与活性炭组成非对称电极的制备方法包括如下步骤：

步骤一、取泡沫镍，依次用盐酸、丙酮、去离子水和酒精超声清洗后真空干燥；

步骤二、将干燥后泡沫镍浸泡至含有四氧化三钴的水溶液中进行水热处理，四氧化三钴溶液的浓度为0.025～0.15g/l，水热温度为90～180℃，水热处理时间为2～12h；

步骤三、水热反应结束后将泡沫镍干燥，作为工作电极，以氢氧化钾为电解质测超级电容的cv和gcd曲线，泡沫镍水热四氧化三钴为正极，在泡沫镍上涂覆活性炭制备负极，调整正负极质量比为1:8～26。

进一步，所述水热处理的水热温度分别为90℃、110℃、150℃或180℃。

进一步，所述水热处理的时间分别为2h、6h、10h或12h。

进一步，所述四氧化三钴溶液的浓度分别为0.025g/l、0.05g/l、0.1g/l或0.15g/l。

进一步，所述正负极质量比分别调整为1:8、1:18或1:26。

由于本发明四氧化三钴电极以及与活性炭组成非对称电极的制备方法采用了上述技术方案，即本方法以泡沫镍为基底，通过模板法制备出四氧化三钴材料，再通过水热法在泡沫镍上负载四氧化三钴，以四氧化三钴和活性炭分别为正负极的非对称超级电容器，本方法生产工艺和设备简单，制备成本低，得到的四氧化三钴电极材料具有良好的稳定性，较高的比电容，而非对称电极具有较宽的电势工作窗口，从而提高了超级电容器的能量密度。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1是本方法制备的co3o4电极材料的sme图；

图2是本方法制备的co3o4电极材料在10mvs^-1中的循环伏安曲线；

图3是本方法制备的co3o4电极材料在不同电流密度下的充放电曲线；

图4是本方法制备的活性炭电极材料在0.5a/g中的充放电曲线；

图5是本方法制备的co3o4电极材料与活性炭电极材料分别为正负极的非对称电极在不同电流密度下的充放电曲线；

图6是本方法制备的co3o4电极材料与活性炭电极材料分别为正负极的非对称电极的功率密度与能量密度的变化曲线。

具体实施方式

本发明四氧化三钴电极以及与活性炭组成非对称电极的制备方法包括如下步骤：

步骤一、取泡沫镍，依次用盐酸、丙酮、去离子水和酒精超声清洗后真空干燥；

步骤二、将干燥后泡沫镍浸泡至含有四氧化三钴的水溶液中进行水热处理，四氧化三钴溶液的浓度为0.025～0.15g/l，水热温度为90～180℃，水热处理时间为2～12h；

步骤三、水热反应结束后将泡沫镍干燥，作为工作电极，以氢氧化钾为电解质测超级电容的cv和gcd曲线，泡沫镍水热四氧化三钴为正极，在泡沫镍上涂覆活性炭制备负极，调整正负极质量比为1:8～26。

优选的，所述水热处理的水热温度分别为90℃、110℃、150℃或180℃。

优选的，所述水热处理的时间分别为2h、6h、10h或12h。

优选的，所述四氧化三钴溶液的浓度分别为0.025g/l、0.05g/l、0.1g/l或0.15g/l。

优选的，所述正负极质量比分别调整为1:8、1:18或1:26。

下面通过具体实施例并结合附图对本方法作进一步阐述，但并不限制本发明：

实施例1

1）取泡沫镍，依次用盐酸、丙酮、去离子水和酒精超声清洗后真空干燥；

2）将泡沫镍浸泡至含有四氧化三钴的水溶液中进行水热处理，所述的四氧化三钴溶液的浓度为0.025g/l，水热温度为110℃，水热时间为2h；

3）将水热反应结束后的泡沫镍干燥，作为工作电极，以氢氧化钾为电解质测cv与gcd曲线；

4）对上述制备的四氧化钴电极材料在2m的koh溶液中测电容性能。

实施例2

1）取泡沫镍，依次用盐酸、丙酮、去离子水和酒精超声清洗后真空干燥；

2）将泡沫镍浸泡至含有四氧化三钴的水溶液中进行水热处理，所述的四氧化三钴溶液的浓度为0.025g/l，水热温度为110℃，水热时间为6h。

3）将水热反应结束后的泡沫镍干燥，作为工作电极，以氢氧化钾为电解质测cv与gcd曲线；

4）对上述制备的四氧化钴电极材料在2m的koh溶液中测电容性能，质量比电容为711f/g。

实施例3

1）取泡沫镍，依次用盐酸、丙酮、去离子水和酒精超声清洗后真空干燥；

2）将泡沫镍浸泡至含有四氧化三钴的水溶液中进行水热处理，所述的四氧化三钴溶液的浓度为0.025g/l，水热温度为110℃，水热时间为10h；

3）将水热反应结束后的泡沫镍干燥，作为工作电极，以氢氧化钾为电解质测cv与gcd曲线；

4）对上述制备的四氧化钴电极材料在2m的koh溶液中测电容性能，测得的电容曲线结果如图2所示，质量比电容为2460f/g。

实施例4

1）取泡沫镍，依次用盐酸、丙酮、去离子水和酒精超声清洗后真空干燥；

2）将泡沫镍浸泡至含有四氧化三钴的水溶液中进行水热处理，所述的四氧化三钴溶液的浓度为0.025g/l，水热温度为110℃，水热时间为12h；

3）将水热反应结束后的泡沫镍干燥，作为工作电极，以氢氧化钾为电解质测cv与gcd曲线；采用扫描电子显微镜分析泡沫镍上的四氧化三钴形貌见附图1。从图1可以看出，四氧化三钴呈现纳米花的形状；

4）对上述制备的四氧化钴电极材料在2m的koh溶液中测电容性能，测得的电容曲线结果如图3所示，质量比电容为4338f/g。

实施例5

1）取泡沫镍，依次用盐酸、丙酮、去离子水和酒精超声清洗后真空干燥；

2）将泡沫镍浸泡至含有四氧化三钴的水溶液中进行水热处理；所述的四氧化三钴溶液的浓度为0.025g/l，水热温度为110℃，水热时间为12h；

3）将水热反应结束后的泡沫镍干燥，将泡沫镍水热四氧化三钴为正极，在泡沫镍上涂覆活性炭为负极，在电流密度为0.5a/g时测得的电容曲线见附图4，调整正负极质量比为1:8；

4）对上述制备的非对称电极材料在2m的koh溶液中测电容性能，质量比电容为76f/g，能量密度为27wh/kg，功率密度为2400w/kg。

实施例6

1）取泡沫镍，依次用盐酸、丙酮、去离子水和酒精超声清洗后真空干燥；

2）将泡沫镍浸泡至含有四氧化三钴的水溶液中进行水热处理；所述的四氧化三钴溶液的浓度为0.025g/l，水热温度为110℃，水热时间为12h；

3）将水热反应结束后的泡沫镍干燥，将泡沫镍水热四氧化三钴为正极，在泡沫镍上涂覆活性炭为负极，调整正负极质量比为1:18；

4）对上述制备的非对称电极材料在2m的koh溶液中测电容性能，测得的电容曲线结果如图5所示，质量比电容为65.8f/g，能量密度为23.4wh/kg，功率密度为2666w/kg。

实施例7

1）取泡沫镍，依次用盐酸、丙酮、去离子水和酒精超声清洗后真空干燥；

2）将泡沫镍浸泡至含有四氧化三钴的水溶液中进行水热处理，所述的四氧化三钴溶液的浓度为0.025g/l，水热温度为110℃，水热时间为12h；

3）将水热反应结束后的泡沫镍干燥，将泡沫镍水热四氧化三钴为正极，在泡沫镍上涂覆活性炭为负极，调整正负极质量比为1:26。

4）对上述制备的非对称电极材料在2m的koh溶液中测电容性能，质量比电容为79.7f/g，附图6为非对称电极的功率密度与能量密度的变化曲线，对应的能量密度为28.3wh/kg，功率密度为2400w/kg。