一种新型钴铁基超级电容器电极材料及其制备方法与流程

本发明涉及材料学技术领域，尤其涉及一种新型钴铁基超级电容器电极材料及其制备方法。

背景技术：

电化学赝电容器，也称为超级电容器，具有功率密度高、充电时间短、循环寿命长、绿色环保等优点，是现代电子产品中最有前景的能量存储设备之一。但是由于缺乏合适成本的高性能电极材料，使得超级电容器在实际应用受到阻碍。在过去的几十年中，各种电极材料，包括含碳材料，导电聚合物和过渡金属氧化物已被用于超级电容器电极材料。然而，由于碳材料的能量密度较低，导电聚合物在长期充/放电的循环性较差，导致这两种材料在储能装置的应用上受到一定限制；而过渡金属氧化物因其可在电极/电解液界面发生快速可逆的法拉第氧化还原反应，因此可作为理想的电极材料，但是过渡金属氧化物的低导电率也限制了它们的广泛商业化。

目前大多数制备超级电容器电极材料均为单金属氧化物，存在倍率性能及循环稳定性较低等缺陷，而双金属氧化物由于加入了第二种金属，使得多种金属物种组成复杂的微观结构和相互协同效应，因此可以表现出更高的电化学活性，避免单金属氧化物存在的缺陷。当前制备超级电容器电极材料的常用方法为高效回流法，该制备工艺简单，过程绿色环保，电极材料电容性质优异。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种具有超高比电容以及良好的循环稳定性的新型钴铁基超级电容器电极材料，及一种工艺简单，操作方便并且环保的新型钴铁基超级电容器电极材料及其制备方法。

为达到上述目的，本发明提出一种新型钴铁基超级电容器电极材料，所述新型钴铁基超级电容器电极材料为二维层状结构，形状为片状正六边形。

优选的，所述新型钴铁基超级电容器电极材料的边长为1-2um。

优选的，所述新型钴铁基超级电容器电极材料的活性物质量小于2mg、厚度小于100nm以及电容大于1000f/g，所述活性物为钴铁基双金属纳米材料。

本发明还提出一种新型钴铁基超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：往去离子水中通入氮气；

步骤2：取cocl2·6h2o晶体和fecl2·4h2o晶体置于一部分所述去离子水和无水乙醇的混合溶剂中，形成第一混合溶液；

步骤3：取二甲基咪唑溶入另一部分所述去离子水和无水乙醇的混合溶剂中，形成第二混合溶液；

步骤4：将所述第一混合溶液置于烧杯中，进行回流；

步骤5：搅拌并且加热所述第一混合溶液；

步骤6：将所述第二混合溶液缓慢加入所述第一混合溶液中，以形成第三混合溶液；

步骤7：对所述第三混合溶液进行回流；

步骤8：对所述第三混合溶液依次进行离心、洗涤和干燥的步骤得到新型钴铁基超级电容器电极材料。

优选的，在步骤1中，取100ml去离子水通30min氮气，排除水中一些co3^2-。

优选的，在步骤2中，所述cocl2·6h2o和fecl2·4h2o的物料比为1.189g：0.3168g，混合溶入40～50ml所述去离子水和10～0ml所述无水乙醇的混合溶剂中，充分搅拌。

优选的，在步骤3中，取2.46～9.84g所述二甲基咪唑溶入40～50ml所述去离子水和10～0ml所述无水乙醇的混合溶剂中，充分搅拌。

优选的，在步骤4中，将所述第一混合溶液置于三口烧瓶中，在氮气的氛围下进行回流。

优选的，在步骤5中，搅拌并且加热所述第一混合溶液至90℃。

优选的，在步骤7中，所述第三混合溶液在90℃的氮气气氛下回流5～10h。

优选的，在步骤8中，所述新型钴铁基超级电容器电极材料为六边形co-fe纳米材料。

与现有技术相比，本发明的优势之处在于：上述所得的新型的超薄六边形超级电容器电极材料，具有良好的电化学能量储存能力、高比电容、好的循环稳定性以及无毒环保的性能；作为高效、轻质的电极材料在新型纳米功能材料与超级电容器电极材料技术领域具有广泛的应用前景；所制备的复合电极材料具有超轻(活性物质量<2mg)，超薄(厚度<100nm)，及超高比电容(>1000f/g)的特性，本发明提供的制备方法具有工艺简单，操作方便，重复性好，无毒绿色环保，且易于批量生产等特点。

附图说明

图1为实施例1所得的新型钴铁基超级电容器电极材料的sem图。

图2为实施例5所得的新型钴铁基超级电容器电极材料的sem图。

图3是co-fe电极材料的循环伏安曲线。

图4是co-fe电极材料的恒电流充放电曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。

本发明提出一种型钴铁基超级电容器电极材料，新型钴铁基超级电容器电极材料为二维层状结构，形状为片状正六边形。

优选的，新型钴铁基超级电容器电极材料的边长为1-2um。

优选的，新型钴铁基超级电容器电极材料的活性物质量小于2mg、厚度小于100nm以及电容大于1000f/g，所述活性物为钴铁基双金属纳米材料。

本发明还提出一种新型钴铁基超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：往去离子水中通入氮气；

步骤2：取cocl2·6h2o晶体和fecl2·4h2o晶体置于一部分去离子水和无水乙醇的混合溶剂中，形成第一混合溶液；

步骤3：取二甲基咪唑溶入另一部分去离子水和无水乙醇的混合溶剂中，形成第二混合溶液；

步骤4：将第一混合溶液置于烧杯中，进行回流；

步骤5：搅拌并且加热第一混合溶液；

步骤6：将第二混合溶液缓慢加入第一混合溶液中，以形成第三混合溶液；

步骤7：对第三混合溶液进行回流；

步骤8：对第三混合溶液依次进行离心、洗涤和干燥的步骤得到新型钴铁基超级电容器电极材料。

在本实施例中，在步骤1中，取100ml去离子水通30min氮气，排除水中一些co3^2-。

在本实施例中，在步骤2中，cocl2·6h2o和fecl2·4h2o的物料比为1.189g：0.3168g，混合溶入40～50ml去离子水和10～0ml无水乙醇的混合溶剂中，充分搅拌。

在本实施例中，在步骤3中，取2.46～9.84g二甲基咪唑溶入40～50ml去离子水和10～0ml无水乙醇的混合溶剂中，充分搅拌。

在本实施例中，在步骤4中，将第一混合溶液置于三口烧瓶中，在氮气的氛围下进行回流。

在本实施例中，在步骤5中，搅拌并且加热第一混合溶液至90℃。

在本实施例中，在步骤7中，第三混合溶液在90℃的氮气气氛下回流5～10h。

在本实施例中，在步骤8中，新型钴铁基超级电容器电极材料为六边形co-fe纳米材料，采用高效回流法制备co-fe基二维纳米片，具有超高比电容，良好的循环稳定性等优点。

下面将通过具体实施例对本发明做出进一步的阐述：

实施例1

一种新型的新型钴铁基超级电容器电极材料的方法，包括以下步骤：

1、取100ml去离子水通入氮气30min，排除水中一些co3^2-；

2、取cocl2·6h2o晶体和fecl2·4h2o晶体，cocl2·6h2o和fecl2·4h2o的物料比为1.189g：0.3168g，混合加入50ml去离子水中，充分搅拌，得到粉红色溶液；

3、取2.46g二甲基咪唑加入50ml去离子水中，充分搅拌得到白色溶液；

4、将cocl2·6h2o和fecl2·4h2o混合得到的粉红色溶液转移至三口烧瓶中，在氮气的氛围下回流，剧烈搅拌并加热至90℃，随后将二甲基咪唑溶液加入三口烧瓶中，在90℃的氮气气氛下高效回流5h；

5、待反应结束后冷却至室温离心，洗涤，干燥得到六边形co-fe基纳米材料；如图1所示。

实施例2

1、取100ml去离子水通入氮气30min，排除水中一些co3^2-；

2、取cocl2·6h2o晶体和fecl2·4h2o晶体，cocl2·6h2o和fecl2·4h2o的物料比为1.189g：0.3168g，混合加入45ml去离子水和5ml无水乙醇的混合溶剂中，充分搅拌，得到粉红色溶液；

3、取2.46g二甲基咪唑加入45ml去离子水和5ml无水乙醇的混合溶剂中，充分搅拌得到白色溶液；

4、将cocl2·6h2o和fecl2·4h2o混合得到的粉红色溶液转移至三口烧瓶中，在氮气的氛围下回流，剧烈搅拌并加热至90℃，随后将二甲基咪唑溶液加入三口烧瓶中，在90℃的氮气气氛下高效回流5h；

5、待反应结束后冷却至室温，离心，洗涤，干燥得到六边形co-fe基纳米材料；

实施例3

1、取100ml去离子水通入氮气30min，排除水中一些co3^2-；

2、取cocl2·6h2o晶体和fecl2·4h2o晶体，cocl2·6h2o和fecl2·4h2o的物料比为1.189g：0.3168g，混合加入40ml去离子水和10ml无水乙醇的混合溶液中，充分搅拌，得到粉红色溶液；

3、取2.46g二甲基咪唑加入40ml去离子水和10ml无水乙醇的混合溶液中，充分搅拌得到白色溶液；

4、将cocl2·6h2o和fecl2·4h2o混合得到的粉红色溶液转移至三口烧瓶中，在氮气的氛围下回流，剧烈搅拌并加热至90℃，随后将二甲基咪唑溶液加入三口烧瓶中，在90℃的氮气气氛下高效回流5h；

5、待反应结束后冷却至室温，离心，洗涤，干燥得到六边形co-fe基纳米片电极材料；

实施例4

1、取100ml去离子水通入氮气30min，排除水中一些co3^2-；

2、取cocl2·6h2o晶体和fecl2·4h2o晶体，cocl2·6h2o和fecl2·4h2o的物料比为1.189g：0.3168g，混合加入50ml去离子水中，充分搅拌，得到粉红色溶液；

3、取4.92g二甲基咪唑加入50ml去离子水中，充分搅拌得到白色溶液；

4、将cocl2·6h2o和fecl2·4h2o混合得到的粉红色溶液转移至三口烧瓶中，在氮气的氛围下回流，剧烈搅拌并加热至90℃，随后将二甲基咪唑溶液加入三口烧瓶中，在90℃的氮气气氛下高效回流5h；

5、待反应结束后冷却至室温，离心，洗涤，干燥得到六边形co-fe基纳米材料；

实施例5

1、取100ml去离子水通入氮气30min，排除水中一些co3^2-；

2、取cocl2·6h2o晶体和fecl2·4h2o晶体，cocl2·6h2o和fecl2·4h2o的物料比为1.189g：0.3168g，混合加入50ml去离子水中，充分搅拌，得到粉红色溶液；

3、取9.84g二甲基咪唑加入50ml去离子水中，充分搅拌得到白色溶液；

4、将cocl2·6h2o和fecl2·4h2o混合得到的粉红色溶液转移至三口烧瓶中，在氮气的氛围下回流，剧烈搅拌并加热至90℃，随后将二甲基咪唑溶液加入三口烧瓶中，在90℃的氮气气氛下高效回流5h；

5、待反应结束后冷却至室温，离心，洗涤，干燥得到六边形co-fe基纳米材料；

实施例6

1、取100ml去离子水通入氮气30min，排除水中一些co3^2-；

2、取cocl2·6h2o晶体和fecl2·4h2o晶体，cocl2·6h2o和fecl2·4h2o的物料比为1.189g：0.3168g，混合加入50ml去离子水中，充分搅拌，得到粉红色溶液；

3、取2.46g二甲基咪唑加入50ml去离子水中，充分搅拌得到白色溶液；

4、将cocl2·6h2o和fecl2·4h2o混合得到的粉红色溶液转移至三口烧瓶中，在氮气的氛围下回流，剧烈搅拌并加热至90℃，随后将二甲基咪唑溶液加入三口烧瓶中，在90℃的氮气气氛下高效回流10h；

5、待反应结束后冷却至室温，离心，洗涤，干燥得到六边形co-fe基纳米片电极材料；

实施例7

1、取100ml去离子水通入氮气30min，排除水中一些co3^2-；

2、取cocl2·6h2o和fecl2·4h2o的物料比为1.189g：0.3168g，混合加入50ml去离子水中，充分搅拌，得到粉红色溶液；

3、取4.92g二甲基咪唑加入50ml去离子水中，充分搅拌得到白色溶液；

4、将cocl2·6h2o和fecl2·4h2o混合得到的粉红色溶液转移至三口烧瓶中，且用绳子将1*1cm的泡沫镍悬浮到溶液中，在氮气的氛围下回流，剧烈搅拌并加热至90℃，随后将二甲基咪唑溶液加入三口烧瓶中，在90℃的氮气气氛下高效回流5h；

5、待反应结束冷却至室温后将泡沫镍取出，洗涤干燥泡沫镍得到六边形co-fe基纳米片电极材料，如图2所示；

实施例8

co-fe电极片的制备：将实施例1制备的co-fe基纳米材料、乙炔黑、粘结剂按照质量比为7:2:1混合，混合加入适量的无水乙醇后磨成均匀浆料涂抹在1*2cm的泡沫镍片上，80℃下真空干燥1h后取出，并在10mpa压力下压实，继续真空干燥12h，制得co-fe电极片。

将制备好的co-fe基电极片组装成标准三电极进行电化学性能测试，其中，铂电极为对电极，甘汞电极为参比电极，电解液为6mkoh。从图3可以看出，循环伏安曲线闭合，且具有明显的氧化峰和还原峰，说明本发明co-fe电极材料有着良好的赝电容，另外随着扫速的增大，氧化峰向着更正的电位移动，氧化峰向着更负的电位移动，说明在高扫速的条件下，co-fe电极材料存在极化现象。通过图4恒电流充放电曲线计算得到，co-fe电极材料的比容量在1a/g电流密度下达1000f/g，显著高于传统水热法制备的ni-co的比容量(cn106057482，比容量在1a/g电流密度下约600f/g)，其中，c＝it/mv，c为比容量，i是电流，t为放电时间，m为活性物质质量，v为电压范围。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。