一種表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料、其制備方法和正極中包含該材料的鎳鋅電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料，其包括：多孔導(dǎo)電基底；在所述多孔導(dǎo)電基底上垂直于該基底生長(zhǎng)的四氧化三鈷初級(jí)矩形微米片陣列；和在每一所述初級(jí)矩形微米片的表面上生長(zhǎng)的多個(gè)絨毛狀氧化鎳次級(jí)納米線。還公開(kāi)了該材料的水熱合成制備方法。還公開(kāi)了正極中包含該材料的電池，特別是鎳鋅電池。該材料具有高比表面積，作為電極材料使用時(shí)，改善了電極的電接觸性能，進(jìn)而改善了包含改材料的電極和電池的整體電學(xué)性能。
【專利說(shuō)明】一種表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料、其制備方法和正極中包含該材料的鎳鋅電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)先進(jìn)納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】

【背景技術(shù)】
[0002]在各種電池中，鎳鋅電池具有較高的工作電壓，很好的能量密度和功率密度，是一種高能綠色環(huán)保的二次動(dòng)力電池[J.Power Sources, 2000，88，202-205]。影響電池性能的關(guān)鍵因素之一是電極材料，但一般的商用鎳鋅電池在其電極材料方面存在不少問(wèn)題，如鋅電極容易發(fā)生支晶，鈍化等導(dǎo)致循環(huán)壽命衰減，鎳電極也存在膨脹和毒化現(xiàn)象，易造成充電效率減少和容量損失等。仍希望能有更好的電極材料以及更好的鎳鋅電池，以避免上述問(wèn)題。
[0003]發(fā)明概述
[0004]本發(fā)明則通過(guò)獨(dú)特設(shè)計(jì)的表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料很好地解決了一般電極材料循環(huán)性差及容量低的問(wèn)題，在電化學(xué)儲(chǔ)能方面有著良好的應(yīng)用。
[0005]第一方面，本發(fā)明涉及一種表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料，其包括:
[0006]多孔導(dǎo)電基底；
[0007]在所述多孔導(dǎo)電基底上垂直于該基底生長(zhǎng)的四氧化三鈷初級(jí)矩形微米片陣列；
[0008]在每一所述初級(jí)矩形微米片的表面上生長(zhǎng)的多個(gè)絨毛狀氧化鎳次級(jí)納米線。
[0009]第二方面，本發(fā)明涉及一種表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料的制備方法，其包括以下步驟:
[0010]a.將多孔導(dǎo)電基底斜置放入第一反應(yīng)釜中，再向該反應(yīng)釜中加入包含可溶性鈷鹽、氟化銨和尿素的第一水溶液，然后密閉該反應(yīng)釜，升溫并在自生壓力下進(jìn)行第一次水熱反應(yīng)，以在該多孔導(dǎo)電基底表面上垂直該基底生長(zhǎng)氫氧化鈷初級(jí)微米線陣列；
[0011]b.取出該多孔導(dǎo)電基底，洗漆并干燥；
[0012]c.將步驟b處理后的多孔導(dǎo)電基底斜置放入第二反應(yīng)釜中，再向該反應(yīng)釜中加入包含可溶性鈷鹽和尿素的第二水溶液，密封該反應(yīng)釜，升溫并在自生壓力下進(jìn)行第二次水熱反應(yīng)，使得每一所述氫氧化鈷初級(jí)微米線形成初級(jí)矩形微米片；
[0013]d.再次取出該多孔導(dǎo)電基底，洗滌并干燥；
[0014]e.將步驟d處理后的多孔導(dǎo)電基底斜置放入第三反應(yīng)釜中，再向該反應(yīng)釜中加入包含可溶性鎳鹽和尿素的第三水溶液，密封該反應(yīng)釜，升溫并在自生壓力下進(jìn)行第三次水熱反應(yīng)，以在每個(gè)所述氫氧化鈷初級(jí)矩形微米片上的表面上生長(zhǎng)多個(gè)絨毛狀氫氧化鎳次級(jí)納米線；
[0015]f.再次取出該多孔導(dǎo)電基底，洗滌并干燥；
[0016]g.在空氣中煅燒該多孔導(dǎo)電基底，使得氫氧化鈷初級(jí)矩形微米片轉(zhuǎn)變?yōu)樗难趸挸跫?jí)矩形微米片，且使得氫氧化鎳次級(jí)納米線轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸嚧渭?jí)納米線。
[0017]第三方面，本發(fā)明涉及一種電池其正極材料包含本發(fā)明所述的表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料。
[0018]第四方面，本發(fā)明涉及一種鎳鋅電池，其正極材料包含本發(fā)明所述的表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料，其負(fù)極材料包含鍍?cè)趯?dǎo)電基底上的鋅，其中負(fù)極材料中包含的導(dǎo)電基底與正極材料中包含的導(dǎo)電基底相同或不同。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明的表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明的材料的掃描電鏡照片圖(SEM)，其中清楚地顯示出，四氧化三鈷初級(jí)矩形微米片陣列垂直于基底表面生長(zhǎng)，且每一四氧化三鈷初級(jí)矩形微米片的表面上生長(zhǎng)有多個(gè)絨毛狀氧化鎳次級(jí)納米線；其中基底為泡沫鎳。
[0021]圖3是圖2所示材料的X射線衍射圖(XRD)，與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比可辨別出本發(fā)明的材料上的初級(jí)矩形微米片成分為四氧化三鈷晶體，次級(jí)納米線成分為氧化鎳晶體。
[0022]圖4是圖2所示材料的循環(huán)伏安曲線圖，以汞/氧化汞電極為參比電極測(cè)得。
[0023]圖5是圖2所示材料的充放電曲線圖。
[0024]圖6是圖2所示材料的循環(huán)穩(wěn)定性圖。
[0025]圖7是另一種形態(tài)的本發(fā)明的材料的掃描電鏡照片圖(SEM)，其中清楚地顯示出，四氧化三鈷初級(jí)矩形微米片陣列垂直于基底表面生長(zhǎng)，且每一四氧化三鈷初級(jí)矩形微米片上生長(zhǎng)著多個(gè)絨毛狀氧化鎳次級(jí)納米線；其中基底為碳纖維氈。
[0026]圖8是圖7所示材料的X射線衍射圖(XRD)，與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比可辨別出本發(fā)明的材料上的初級(jí)矩形微米片成分為四氧化三鈷晶體，次級(jí)納米線成分為氧化鎳晶體。
[0027]圖9是圖7所示材料的循環(huán)伏安曲線圖，以汞/氧化汞電極為參比電極測(cè)得。
[0028]圖10是圖7所示材料的充放電曲線圖。
[0029]圖11是圖7所示材料的循環(huán)穩(wěn)定性圖。
[0030]圖12是使用本發(fā)明的材料作為正極材料的鎳鋅電池的結(jié)構(gòu)示意圖，其中負(fù)極包括但不限于表面鍍鋅的銅片。
[0031]圖13是圖2所示材料作為正極材料的鎳鋅電池的循環(huán)伏安曲線圖。
[0032]圖14是圖2所示材料作為正極材料的鎳鋅電池的充放電曲線圖。
[0033]圖15是圖2所示材料作為正極材料的鎳鋅電池的倍率特性圖。
[0034]圖16是圖2所示材料作為正極材料的鎳鋅電池的循環(huán)穩(wěn)定性圖。
[0035]圖17是實(shí)驗(yàn)室中制備的使用本發(fā)明的材料作為正極材料的簡(jiǎn)易軟包鎳鋅電池的通電實(shí)驗(yàn)時(shí)的照片，其中將本發(fā)明的表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料作為正極，將表面鍍鋅的銅片作為負(fù)極，電解液為KOH溶液，隔膜為Celgard型鋰電池隔膜，兩個(gè)該軟包鎳鋅電池串聯(lián)能使發(fā)光二極管發(fā)光。
[0036]發(fā)明詳述
[0037]現(xiàn)在對(duì)本發(fā)明的各方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0038]本發(fā)明的第一方面涉及表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料。其中所述的多孔導(dǎo)電基底是指具有多孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電基底，該基底在材質(zhì)上可以為金屬或碳，可以相應(yīng)地被稱為泡沫金屬或多孔碳纖維氈。其中金屬可以選自任何適合的金屬，例如當(dāng)金屬為銅時(shí)，則稱為泡沫銅，當(dāng)金屬為鎳時(shí)，則稱為泡沫鎳。關(guān)于泡沫金屬或多孔碳纖維氈的更多詳細(xì)介紹和制備方法，可以參見(jiàn)現(xiàn)有的專利技術(shù)文獻(xiàn)。這樣的泡沫金屬或多孔碳纖維氈也是可以商購(gòu)得到的或可以按照相關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)容自制。
[0039]多個(gè)四氧化三鈷初級(jí)矩形微米片以陣列的形式垂直于該多孔導(dǎo)電基底的表面生長(zhǎng)。在每一四氧化三鈷初級(jí)矩形微米片的表面上，呈絨毛狀生長(zhǎng)著多個(gè)氧化鎳次級(jí)納米線。可見(jiàn)，本發(fā)明的材料具有兩級(jí)納微米結(jié)構(gòu)，初級(jí)結(jié)構(gòu)是微米片結(jié)構(gòu)，次級(jí)結(jié)構(gòu)是納米線結(jié)構(gòu)，不妨將這種結(jié)構(gòu)稱為“多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)”，即具有多個(gè)級(jí)別的微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)排列方式。
[0040]這樣的多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)，無(wú)疑大大增加了本發(fā)明的材料的表面積，并改進(jìn)了其電接觸效率。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的材料非常適合于作為電池的正極材料，但也不排除本發(fā)明的材料將來(lái)會(huì)發(fā)現(xiàn)存在其它用途。
[0041]本發(fā)明的第二方面涉及一種表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料的制備方法，現(xiàn)對(duì)其中的各步驟詳述如下:
[0042]步驟a.將多孔導(dǎo)電基底斜置放入第一反應(yīng)釜中，再向該反應(yīng)釜中加入包含可溶性鈷鹽、氟化銨和尿素的第一水溶液，然后密閉該反應(yīng)釜，升溫并在自生壓力下進(jìn)行第一次水熱反應(yīng)，以在該多孔導(dǎo)電基底表面上垂直該基底生長(zhǎng)氫氧化鈷初級(jí)微米線陣列。優(yōu)選地，該多孔導(dǎo)電基底要事先經(jīng)過(guò)清洗，以去除表面上的污垢和雜質(zhì)。這樣的清洗可以是在濃鹽酸中超聲清洗，然后轉(zhuǎn)移至諸如去離子水和乙醇等溶劑中，再次超聲清洗。該第一水溶液中，各種物質(zhì)的濃度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，例如，一種優(yōu)選實(shí)施方案中，所述可溶性鈷鹽濃度為0.025-0.1摩爾/升，氟化銨濃度為0.1-0.4摩爾/升，尿素濃度為0.1-0.5摩爾/升。當(dāng)然，也可以使用其它濃度范圍。所述第一水熱反應(yīng)的條件也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，例如一種優(yōu)選條件是:溫度為100-120°C，反應(yīng)時(shí)間為8-12小時(shí)。經(jīng)過(guò)第一水熱反應(yīng)，在多孔導(dǎo)電基底上得到的是氫氧化鈷初級(jí)微米線。改變各物質(zhì)的濃度或改變第一水熱反應(yīng)的條件，可以調(diào)整初級(jí)微米線陣列在該基底上的排列密度、生長(zhǎng)高度等，這些可以通過(guò)有限次實(shí)驗(yàn)來(lái)具體摸索其生長(zhǎng)規(guī)律。其中所述可溶性鈷鹽選自硝酸鈷、硫酸鈷或氯化鈷，或者它們的任何帶有結(jié)晶水的水合物。該第一水熱反應(yīng)結(jié)束后，將該第一反應(yīng)釜冷卻至室溫后打開(kāi)。
[0043]步驟b.取出該多孔導(dǎo)電基底，洗滌并干燥。對(duì)具體的洗滌和干燥方式?jīng)]有限制，例如，洗滌可以用任何合適的溶劑例如水、乙醇等進(jìn)行沖洗或超聲清洗，干燥可以采用在烘箱中烘干的方式。
[0044]步驟c.將步驟b處理后的多孔導(dǎo)電基底斜置放入第二反應(yīng)釜中，再向該反應(yīng)釜中加入包含可溶性鈷鹽和尿素的第二水溶液，密封該反應(yīng)釜，升溫并在自生壓力下進(jìn)行第二次水熱反應(yīng)，使得每一所述氫氧化鈷初級(jí)微米線繼續(xù)生長(zhǎng)成矩形微米片，或者多個(gè)臨近的氫氧化鈷初級(jí)微米線合并生長(zhǎng)成一個(gè)矩形微米片。所述第二水溶液中，各種物質(zhì)的濃度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，例如，一種優(yōu)選實(shí)施方案中，可溶性鈷鹽濃度為0.025-0.075摩爾/升，尿素濃度為0.1-0.5摩爾/升；所述第二水熱反應(yīng)的條件也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，例如一種優(yōu)選條件是:溫度為80-100°C，反應(yīng)時(shí)間為6-10小時(shí)。所述可溶性鈷鹽選自硝酸鈷、硫酸鈷或氯化鈷，或者它們的任何帶有結(jié)晶水的水合物。該第二水熱反應(yīng)結(jié)束后，將該第二反應(yīng)釜冷卻至室溫后打開(kāi)。
[0045]步驟d.再次取出該多孔導(dǎo)電基底，洗滌并干燥。對(duì)具體的洗滌和干燥方式?jīng)]有限制，例如，洗滌可以用任何合適的溶劑例如水、乙醇等進(jìn)行沖洗或超聲清洗，干燥可以采用在烘箱中烘干的方式。
[0046]步驟e.將步驟d處理后的多孔導(dǎo)電基底斜置放入第三反應(yīng)釜中，再向該反應(yīng)釜中加入包含可溶性鎳鹽和尿素的第三水溶液，密封該反應(yīng)釜，升溫并在自生壓力下進(jìn)行第三次水熱反應(yīng)，該第三次水熱反應(yīng)能夠在前述氫氧化鈷矩形微米片的表面上生長(zhǎng)眾多的絨毛狀的氫氧化鎳次級(jí)納米線。所述第三水溶液中，各種物質(zhì)的濃度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，例如，一種優(yōu)選實(shí)施方案中，可溶性鎳鹽濃度為0.025-0.1摩爾/升，尿素濃度為0.1-0.5摩爾/升；所述第三水熱反應(yīng)的條件也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，例如一種優(yōu)選條件是:溫度為SO-1OO0C，反應(yīng)時(shí)間為6-10小時(shí)。所述可溶性鎳鹽選自硝酸鎳、硫酸鎳或氯化鎳，或者它們的任何帶有結(jié)晶水的水合物。該第三水熱反應(yīng)結(jié)束后，將該第三反應(yīng)釜冷卻至室溫后打開(kāi)。
[0047]步驟f.再次取出該多孔導(dǎo)電基底，洗滌并干燥。對(duì)具體的洗滌和干燥方式?jīng)]有限制，例如，洗滌可以用任何合適的溶劑例如水、乙醇等進(jìn)行沖洗或超聲清洗，干燥可以采用在烘箱中烘干的方式。
[0048]步驟g.在空氣中煅燒該多孔導(dǎo)電基底，使得氫氧化鈷初級(jí)矩形微米片陣列轉(zhuǎn)變?yōu)樗难趸挸跫?jí)矩形微米片陣列，且使得絨毛狀的氫氧化鎳納米線轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸嚰{米線?？蓪?duì)煅燒溫度、煅燒時(shí)間和煅燒氣氛進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保煅燒后氫氧化鈷轉(zhuǎn)變?yōu)樗难趸?，氫氧化鎳轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸?。例如，一組優(yōu)選的煅燒條件是:煅燒溫度為250-350°C，煅燒時(shí)間為2_4小時(shí)。
[0049]上述制備方法在簡(jiǎn)單的水熱反應(yīng)條件下合成，方法簡(jiǎn)便，成本低廉，重復(fù)性好；沒(méi)有采用任何的有機(jī)溶劑和表面活性劑，對(duì)環(huán)境非常友好；所獲得的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)均一、有序排列，更為重要的是這是一個(gè)整體式材料，這種材料中，作為電極活性物質(zhì)的四氧化三鈷和氧化鎳直接與作為集流體的多孔導(dǎo)電基底相連，制作時(shí)無(wú)需添加粘合劑，且結(jié)構(gòu)新穎，具有很好的導(dǎo)電性質(zhì)；此外通過(guò)控制溶液中鈷鹽和鎳鹽的種類和濃度，可以合成出具有不同尺寸大小和疏密程度的多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)材料的形貌可控。這樣的結(jié)構(gòu)避免了一般粉體材料與集流體接觸不良，電子傳輸效果差的問(wèn)題，且由于多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的存在，尤其是眾多絨毛狀的次級(jí)納米線的存在，可大大增加電極活性材料的比表面積，改善了材料的電接觸性能,進(jìn)而改善了包含改材料的電極和電池的整體電學(xué)性能。
[0050]本發(fā)明的第三方面涉及一種其正極包含本發(fā)明的第一方面所提到的材料的電池。該電池中，對(duì)負(fù)極材料沒(méi)有特殊限制，只要它能與包含本發(fā)明的第一方面所提到的材料的正極材料匹配產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)即可。一種優(yōu)選的負(fù)極材料是表面鍍鋅的基底,對(duì)基底的材質(zhì)也沒(méi)有特殊限制。
[0051]本發(fā)明的第四方面涉及一種鎳鋅電池，其正極材料包含本發(fā)明的第一方面所述的材料，其負(fù)極材料包含鍍?cè)趯?dǎo)電基底上的鋅，其中負(fù)極材料中包含的導(dǎo)電基底與正極材料中包含的導(dǎo)電基底可以相同或不同。優(yōu)選地，負(fù)極材料中的導(dǎo)電基底為銅片或鈦片。這樣的鎳鋅電池中，還可包含隔膜和作為電解液的包含鋅酸根離子的堿金屬氫氧化物水溶液，對(duì)隔膜沒(méi)有特殊要求。在一種替代性的實(shí)施方案中，負(fù)極材料也可以不預(yù)先鍍鋅，而是在電解液中包含可溶性鋅鹽,通過(guò)充電過(guò)程中原位電鍍的方式,把鋅電鍍到負(fù)極材料的表面上。這樣的鎳鋅電池可以做成軟包電池的形式。

【具體實(shí)施方式】
[0052]通過(guò)以下實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例僅僅是示例性的，而非限制性的。
[0053]實(shí)施例1
[0054]a.將泡沫鎳基底斜置放入第一反應(yīng)爸中，再向該反應(yīng)爸中加入包含0.05摩爾/升的硝酸鈷，0.2摩爾/升的氟化銨和0.25摩爾/升的尿素的第一水溶液,然后密閉該反應(yīng)釜，升溫至120°C并在自生壓力下保持12小時(shí)進(jìn)行第一次水熱反應(yīng)，以在該泡沫鎳基底表面上垂直該基底生長(zhǎng)氫氧化鈷初級(jí)微米線陣列；
[0055]b.取出該泡沫鎳基底，洗滌并干燥；
[0056]c.將步驟b處理后的泡沫鎳基底斜置放入第二反應(yīng)釜中，再向該反應(yīng)釜中加入包含0.025摩爾/升的硝酸鈷和0.25摩爾/升的尿素的第二水溶液,密封該反應(yīng)爸,升溫至100°C并在自生壓力下保持10小時(shí)進(jìn)行第二次水熱反應(yīng)，使每一所述氫氧化鈷初級(jí)微米線形成氫氧化鈷矩形微米片，或多個(gè)臨近的氫氧化鈷初級(jí)微米線合并生長(zhǎng)成一個(gè)矩形微米片；具體生長(zhǎng)機(jī)理不是本發(fā)明的重點(diǎn)，總之控制第二水熱條件，能最終產(chǎn)生氫氧化鈷矩形微米片；
[0057]d.再次取出該泡沫鎳基底，洗滌并干燥；
[0058]e.將步驟d處理后的泡沫鎳基底斜置放入第三反應(yīng)釜中，再向該反應(yīng)釜中加入包含0.05摩爾/升的硝酸鎳和0.25摩爾/升的尿素的第三水溶液，密封該反應(yīng)釜，升溫至100°C并在自生壓力下保持10小時(shí)進(jìn)行第三次水熱反應(yīng)，使在每一所述氫氧化鈷初級(jí)矩形微米片上生長(zhǎng)絨毛狀的氫氧化鎳納米線；
[0059]f.再次取出該泡沫鎳基底，洗滌并干燥；
[0060]g.在空氣中250°C煅燒該泡沫鎳基底3小時(shí)，該煅燒條件能使得氫氧化鈷初級(jí)矩形微米片轉(zhuǎn)變?yōu)樗难趸挸跫?jí)矩形微米片，且使得氫氧化鎳次級(jí)納米線轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸嚧渭?jí)納米線。
[0061]所得到的材料的掃描電鏡圖參見(jiàn)附圖2，其XRD譜圖參見(jiàn)附圖3，其循環(huán)伏安曲線圖參見(jiàn)附圖4，其充放電曲線圖參見(jiàn)圖5，其循環(huán)穩(wěn)定性圖參見(jiàn)附圖6。
[0062]實(shí)施例2
[0063]參見(jiàn)實(shí)施例1中的方法，將實(shí)施例1步驟a及步驟c中硝酸鈷換為氯化鈷，將步驟e中硝酸鎳換為氯化鎳，得到的材料的與實(shí)施例1得到的材料在外貌和性能上都很接近。
[0064]實(shí)施例3
[0065]參見(jiàn)實(shí)施例1中的方法，將多孔導(dǎo)電基底由泡沫鎳基底換為碳纖維氈，其余不變。
[0066]所得到的掃描電鏡圖參見(jiàn)附圖7，其XRD譜圖參見(jiàn)附圖8，其循環(huán)伏安曲線圖參見(jiàn)附圖9，其充放電曲線圖參見(jiàn)圖10，其循環(huán)穩(wěn)定性圖參見(jiàn)附圖11。
[0067]實(shí)施例4
[0068]以實(shí)施例1得到的材料為正極，以表面鍍鋅的導(dǎo)電銅片為負(fù)極，以6摩爾/升的氫氧化鉀水溶液為電解液，該電解液中還含有鋅酸根離子，組建成電池。
[0069]其循環(huán)伏安曲線圖參見(jiàn)附圖13，其充放電曲線圖參見(jiàn)附圖14，其倍率特性圖參見(jiàn)附圖15，其容量循環(huán)穩(wěn)定性圖參見(jiàn)附圖16。
[0070]實(shí)施例5
[0071]以實(shí)施例4中的電池作為基礎(chǔ)，另加Celgard2400型鋰電池隔膜為隔膜，以銅箔為導(dǎo)線，將電極材料和隔膜裝入鋁箔包中，組裝成簡(jiǎn)易的軟包電池。兩個(gè)這樣的軟包電池串聯(lián)，充電后可使二極管發(fā)光，且可保持發(fā)光至少一個(gè)小時(shí)，參見(jiàn)圖17。經(jīng)測(cè)試，該電池的電學(xué)性能如下:正負(fù)兩極的電容性能穩(wěn)定且容量匹配，組裝后的電池電接觸良好，性能優(yōu)異。在電流密度為0.33A/g下，容量為153.33mAh/g ;功率密度為550W/kg時(shí)的能量密度為251.33Wh/kg，經(jīng)過(guò)500次恒電流充放電循環(huán)后，它的容量衰減不足18%。這種堿性電池比傳統(tǒng)鎳鋅電池有更大的能量密度，且能在較大功率密度下工作，并且可以保持良好的穩(wěn)定性，在實(shí)際應(yīng)用中具有可觀的前景。
【權(quán)利要求】
1.一種表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料，其包括: 多孔導(dǎo)電基底； 在所述多孔導(dǎo)電基底上垂直于該基底生長(zhǎng)的四氧化三鈷初級(jí)矩形微米片陣列； 在每一所述初級(jí)矩形微米片的表面上生長(zhǎng)的多個(gè)絨毛狀氧化鎳次級(jí)納米線。
2.權(quán)利要求1的材料，其中所述多孔導(dǎo)電基底選自:泡沫銅、泡沫鎳或多孔碳纖維氈。
3.權(quán)利要求1的材料，其中所述四氧化三鈷初級(jí)矩形微米片的尺寸為:長(zhǎng)度8-12微米，寬度1.5-2.5微米；所述氧化鎳次級(jí)納米線的尺寸為:長(zhǎng)度70-90納米。
4.一種表面具有多級(jí)納微米結(jié)構(gòu)的材料的制備方法，其包括以下步驟: a.將多孔導(dǎo)電基底斜置放入第一反應(yīng)釜中，再向該反應(yīng)釜中加入包含可溶性鈷鹽、氟化銨和尿素的第一水溶液，然后密閉該反應(yīng)釜，升溫并在自生壓力下進(jìn)行第一次水熱反應(yīng)，以在該多孔導(dǎo)電基底表面上垂直該基底生長(zhǎng)氫氧化鈷初級(jí)微米線陣列； b.取出該多孔導(dǎo)電基底，洗滌并干燥； c.將步驟b處理后的多孔導(dǎo)電基底斜置放入第二反應(yīng)釜中，再向該反應(yīng)釜中加入包含可溶性鈷鹽和尿素的第二水溶液，密封該反應(yīng)釜，升溫并在自生壓力下進(jìn)行第二次水熱反應(yīng)，使得每一所述氫氧化鈷初級(jí)微米線形成初級(jí)矩形微米片； d.再次取出該多孔 導(dǎo)電基底，洗滌并干燥； e.將步驟d處理后的多孔導(dǎo)電基底斜置放入第三反應(yīng)釜中，再向該反應(yīng)釜中加入包含可溶性鎳鹽和尿素的第三水溶液，密封該反應(yīng)釜，升溫并在自生壓力下進(jìn)行第三次水熱反應(yīng)，以在每個(gè)所述氫氧化鈷初級(jí)矩形微米片上的表面上生長(zhǎng)多個(gè)絨毛狀氫氧化鎳次級(jí)納米線.-^4 ， f.再次取出該多孔導(dǎo)電基底，洗滌并干燥； g.在空氣中煅燒該多孔導(dǎo)電基底，使得氫氧化鈷初級(jí)矩形微米片轉(zhuǎn)變?yōu)樗难趸挸跫?jí)矩形微米片，且使得氫氧化鎳次級(jí)納米線轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸嚧渭?jí)納米線。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述第一水溶液中，所述可溶性鈷鹽濃度為0.025-0.1摩爾/升，氟化銨濃度為0.1-0.4摩爾/升，尿素濃度為0.1-0.5摩爾/升，所述第一水熱反應(yīng)的條件是:溫度為100-120°C，反應(yīng)時(shí)間為8-12小時(shí)；所述第二水溶液中，可溶性鈷鹽濃度為0.025-0.075摩爾/升，尿素濃度為0.1-0.5摩爾/升，所述第二水熱反應(yīng)的條件是:溫度為80-100°C，反應(yīng)時(shí)間為6-10小時(shí)；所述第三水溶液中，可溶性鎳鹽濃度為0.025-0.1摩爾/升，尿素濃度為0.1-0.5摩爾/升,所述第三水熱反應(yīng)的條件是:溫度為80-100°C,反應(yīng)時(shí)間為6-10小時(shí)；其中所述可溶性鈷鹽選自硝酸鈷、硫酸鈷或氯化鈷；所述可溶性鎳鹽選自硝酸鎳、硫酸鎳或氯化鎳。
6.權(quán)利要求4的方法，其中所述步驟g中，煅燒溫度為250-350°C，煅燒時(shí)間為2_4小時(shí)。
7.一種電池,其正極材料包含權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的材料。
8.一種鎳鋅電池,其正極材料包含權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的材料，其負(fù)極材料包含鍍?cè)趯?dǎo)電基底上的鋅，其中負(fù)極材料中包含的導(dǎo)電基底與正極材料中包含的導(dǎo)電基底相同或不同。
9.權(quán)利要求8的鎳鋅電池，其還包含隔膜和作為電解液的包含鋅酸根離子的堿金屬氫氧化物水溶液。
【文檔編號(hào)】B82Y30/00GK104051728SQ201410218958
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】孫曉明, 陸之毅, 吳小超 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)