电容器阴极的制作方法、电容器制作方法及电容器

技术领域

本申请涉及电容器技术领域，具体而言，涉及一种电容器阴极的制作方法、电容器制作方法及电容器。

背景技术

能源是社会发展和经济增长的基石，但传统化石燃料资源有限。因此，发展可再生能源和高效能量存储技术成为了当今社会的迫切需求。电容器作为一种重要的能量存储设备，在近几十年的发展中逐渐引起了人们的关注。传统电容器的优势在于其高功率密度和快速充放电能力，但能量密度较低，无法与电化学电池相媲美。而电化学电池虽然拥有较高的能量密度，但充放电速率相对较慢。电池型电容器旨在融合传统电容器的快速充放电特性和化学电池的高能量密度，以满足日益多样化和复杂化的能源需求。

在现有技术中，在制备电池型电容器时，首先要通过化学合成、溶胶-凝胶法、沉积法等来制备金属氢氧化物电极粉末，然后将制备好的金属氢氧化物电极粉末涂覆在导电基材上形成电极片。但在上述过程中，单一的金属氧化物材料在充放电过程中体积变化大，导致电导率低、循环稳定性差，且电极粉末的性能极易受到制备合成条件、温度、压力等参数的影响，产品的一致性和可重复性得不到保证。此外，通过涂覆材料获得的电极一方面由于团聚的存在容易导致活性成分性能不能完全发挥，另一方面由于粘附力弱而容易脱落，性能不稳定。

发明内容

为了至少克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供一种电容器阴极的制作方法、电容器制作方法及电容器。

第一方面，本申请实施例提供一种电容器阴极的制作方法，所述电容器阴极的制作方法包括：

提供一泡沫镍薄片；

对所述泡沫镍薄片进行预处理，去除所述泡沫镍薄片上的氧化层及杂质；

将预处理后的所述泡沫镍薄片置于反应溶液中，直至所述泡沫镍薄片表面上生长层状氢氧化物；

对表面生长层状氢氧化物的所述泡沫镍薄片进行退火处理，将所述层状氢氧化物转化为多元金属氧化物，得到电容器阴极。

在一种可能的实现方式中，所述对所述泡沫镍薄片进行预处理，去除所述泡沫镍薄片上的氧化层及杂质的步骤，包括：

对所述泡沫镍薄片进行超声清洗，去除所述泡沫镍薄片上的氧化层及杂质；

将超声清洗完成的所述泡沫镍薄片置于环境温度55℃～65℃的干燥室内进行干燥处理11.5小时～12.5小时。

在一种可能的实现方式中，所述对所述泡沫镍薄片进行超声清洗，去除所述泡沫镍薄片上的氧化层及杂质的步骤，包括：

将所述泡沫镍薄片置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除所述泡沫镍薄片上的油污；

将除去油污的所述泡沫镍薄片置于3mol/L的盐酸溶液中进行清洗，去除所述泡沫镍薄片上的氧化层；

将除去油污及氧化层的所述泡沫镍薄片置于无水乙醇及去离子水中进行超声清洗，去除所述泡沫镍薄片上残留的所述丙酮溶液及所述盐酸溶液，得到洁净后的所述泡沫镍薄片。

在一种可能的实现方式中，所述将预处理后的所述泡沫镍薄片置于反应溶液中，直至所述泡沫镍薄片表面上生长层状氢氧化物的步骤包括：

在常温常压下将无水氯化铁、四水氯化锰及六水氯化镍溶于去离子水中配成所述反应溶液，其中，无水氯化铁、四水氯化锰及六水氯化镍的浓度分别为178.8mmol/L、166mmol/L、165mmol/L；

将预处理后的泡沫镍薄片水平置于玻璃培养皿中，加入所述反应溶液到所述玻璃培养皿中反应3分钟～30分钟，直至所述泡沫镍薄片的表面上生长层状氢氧化物。

在一种可能的实现方式中，所述对表面生长层状氢氧化物的所述泡沫镍薄片进行退火处理，将所述层状氢氧化物转化为多元金属氧化物，得到电容器阴极的步骤，包括：

将表面生长层状氢氧化物的所述泡沫镍薄片从所述玻璃培养皿中取出，除去表面残留液体；

将表面生长中间产物的所述泡沫镍薄片置于环境温度为60°的干燥室内进行干燥处理11小时～13小时；

将烘干后的所述泡沫镍薄片置于马弗炉内进行氧化退火处理，其中，所述马弗炉的环境温度从室温线性升高至200℃～500℃，退火时间为0.5小时～6小时，得到所述电容器阴极。

第二方面，本申请实施例还提供一种电容器制备方法，所述电容器制备方法包括：

提供电容器壳体、隔膜片及第一方面中任意一种所述电容器阴极的制备方法所制备的电容器阴极；

制作表面负载有活性炭材料的电容器阳极；

将所述电容器阴极、所述隔膜片以及电容器阳极按照顺序装进所述电容器壳体内，并向所述电容器壳体内添加电解质溶液。

在一种可能的实现方式中，所述制作表面负载有活性炭材料的电容器阳极的步骤，包括：

提供一泡沫镍薄片，将所述泡沫镍薄片依次置于丙酮溶液、3mol/L的盐酸溶液、无水乙醇及去离子水中进行超声清洗，去除所述泡沫镍薄片上的氧化层及杂质；

对超声清洗后的所述泡沫镍薄片置于环境温度为60℃的干燥室内进行干燥处理11小时～13小时；

将活性炭、碳黑、聚偏二氟乙烯(PVDF)按8∶1∶1的比例溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮中，得到含有活性炭材料的混合物；

将所述含有活性炭材料的混合物涂覆于所述泡沫镍薄片的表面，而后将其置于环境温度为60℃的所述干燥室内进行干燥处理11时～13时，得到电容器阳极。

第三方面，本申请实施例还提供一种电容器，所述电容器包括电容器壳体、隔膜片、电容器阳极及采用第一方面中任意一种所述电容器阴极的制备方法所制备的电容器阴极。

所述电容器阴极、所述隔膜片以及电容器阳极按照顺序容置于所述电容器壳体内，其中，所述电容器阴极表面生长有多元金属氧化物，所述电容器阳极表面负载有活性炭材料，所述隔膜片用于保存电解质溶液。

在一种可能的实现方式中，所述电容器阴极包括泡沫镍薄片及生长于所述泡沫镍薄片表面的多元金属氧化物。其中，所述泡沫镍薄片的厚度为1.5mm、孔径大小为0.1mm、面密度为350g/m

在一种可能的实现方式中，所述电容器阳极包括泡沫镍薄片及涂覆于所述泡沫镍表面的含有活性炭材料的混合物。其中，所述泡沫镍薄片的厚度为1.5mm、孔径大小为0.1mm、面密度为350g/m

基于上述任意一个方面，本申请实施例提供的电容器阴极的制作方法、电容器制作方法及电容器，在电容器阴极的制作方法中，采用泡沫镍薄片在反应溶液生成层状氢氧化物，然后通过退火处理将层状氢氧化物转化得到多元金属氧化物的方法，不仅可以通过简单的化学反应在大规模生产中制备所需的产物，还可以通过控制反应条件及反应物比例实现产物的可控性与重复性。此外，由该种方法制备得到的多元金属氧化物不仅可以紧密生长在泡沫镍薄片表面，提高电容器阴极在大电流下的长期循环稳定性，还具有高比表面积和优异的化学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要调用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本申请实施例提供的电容器阴极的制作方法的流程示意图；

图2为多元金属氧化物的XRD图谱分析图；

图3为多元金属氧化物的EDX的点扫描图；

图4为本申请实施例提供的电容器与普通电容器性能对比结果图；

图5为本申请实施例提供的电容器制作方法的流程示意图；

图6为实现图2步骤S22的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连通”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可依具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的不同特征之间可以相互结合。

请参阅图1，图1示意了本申请实施例提供的电容器阴极的制作方法的流程示意图。

步骤S11：提供一泡沫镍薄片。

在本步骤中，泡沫镍薄片可以由厚度为1.5mm、孔径为0.1mm、面密度为350g/m

步骤S12：对泡沫镍薄片进行预处理，去除泡沫镍薄片上的氧化层及杂质。

在本步骤中，可以对泡沫镍薄片进行超声清洗，利用高频振动产生微小的气泡和涡流，在泡沫镍表面形成高强度的冲击和剥离力，可以有效地去除泡沫镍表面的油污、氧化物等杂质，提高其表面质量和表面活性，从而增强泡沫镍薄片与其他材料的粘附性和接触性。

步骤S13：将预处理后的泡沫镍薄片置于反应溶液中，直至泡沫镍薄片表面上生长层状氢氧化物。

在本步骤中，通过在泡沫镍薄片的表面上生长层状氢氧化物(LDH)，可以使得最终获得的催化活性物质紧密生长在泡沫镍薄片表面，提高电容器阴极在大电流下的长期循环稳定性。此外，采用溶液制备的方法不仅可以通过简单的化学反应在大规模生产中制备所需的产物，还可以通过控制反应条件及反应物比例实现产物的可控性与重复性。

步骤S14：对表面生长层状氢氧化物的泡沫镍薄片进行退火处理，将层状氢氧化物转化为多元金属氧化物，得到电容器阴极。

在本步骤中，多元金属氧化物可以掺杂镍、钴、锰等多种金属，可以通过调节掺杂金属的种类及其比例来实现不同的电容器性能。

在本实施例中，采用泡沫镍薄片在反应溶液生成层状氢氧化物，然后通过退火处理将层状氢氧化物转化得到多元金属氧化物的方法，不仅可以通过简单的化学反应在大规模生产中制备所需的产物，还可以通过控制反应条件及反应物比例实现产物的可控性与重复性。此外，由该种方法制备得到的多元金属氧化物不仅可以紧密生长在泡沫镍薄片表面，提高电容器阴极在大电流下的长期循环稳定性，还具有高比表面积和优异的电化学性能。

在本申请的一种可能的实施方式中，步骤S12可以采用以下方法实现。

对泡沫镍薄片进行超声清洗，去除泡沫镍薄片上的氧化层及杂质。具体地，可以先将泡沫镍薄片置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除泡沫镍薄片上的油污。接着，将除去油污的泡沫镍薄片置于3mol/L的盐酸溶液中进行清洗，去除泡沫镍薄片上的氧化层。最后，将除去油污及氧化层的泡沫镍薄片置于无水乙醇及去离子水中进行超声清洗，去除泡沫镍薄片上残留的丙酮溶液及盐酸溶液，得到洁净后的泡沫镍薄片。

将超声清洗完成的泡沫镍薄片置于环境温度55℃～65℃的干燥室内进行干燥处理11.5小时～12.5小时，优选的，干燥室的环境温度可以为60℃，干燥处理时长可以为12小时。

在本实施例中，将泡沫镍薄片依次置于丙酮溶液、3mol/L的盐酸溶液、无水乙醇及去离子水中进行超声清洗，可以有效地去除泡沫镍表面的油污、氧化物等杂质，提高其表面质量和表面活性，从而增强泡沫镍薄片与其他材料的粘附性和接触性。

在本申请的一种可能的实施方式中，步骤S13可以采用以下方法实现。

在常温常压下将无水氯化铁、四水氯化锰及六水氯化镍溶于去离子水中配成反应溶液，其中，无水氯化铁、四水氯化锰及六水氯化镍的浓度分别为178.8mmol/L、166mmol/L、165mmol/L。示例性地，在实验室环境中，可以采用含有0.87g无水氯化铁、1.185g四水氯化锰、和1.185g六水氯化镍的30mL反应溶液与大小为1cm×1cm的泡沫镍薄膜进行反应。

将预处理后的泡沫镍薄片水平置于玻璃培养皿中，加入反应溶液到玻璃培养皿中反应3分钟～30分钟，直至泡沫镍薄片的表面上生长层状氢氧化物，优选的，泡沫镍薄片在反应溶液中的反应时长可以为4分钟。

在本实施例中，通过在泡沫镍薄片的表面上生长层状氢氧化物，可以使得最终获得的催化活性物质紧密生长在泡沫镍薄片表面，提高电容器阴极在大电流下的长期循环稳定性。此外，采用溶液制备的方法不仅可以通过简单的化学反应在大规模生产中制备所需的产物，还可以通过控制反应条件及反应物比例实现产物的可控性与重复性。

在本申请的一种可能的实施方式中，步骤S14可以采用以下方法实现。

将表面生长层状氢氧化物的泡沫镍薄片从玻璃培养皿中取出，除去表面残留液体。

将表面生长中间产物的泡沫镍薄片置于环境温度为60°的干燥室内进行干燥处理11小时～13小时。

将烘干后的泡沫镍薄片置于马弗炉内进行氧化退火处理，其中，马弗炉的环境温度从室温线性升高至200℃～500℃，退火时间为0.5小时～6小时，得到电容器阴极，优选的，马弗炉的环境温度可以从室温线性升高至300℃，退火时间为2小时。

在本实施例中，为了验证多元金属氧化物中的成分，可以对多元金属氧化物进行XRD图谱分析。请参考图2，在2θ值为44.5°、51.9°、76.4°的三个特征峰可归属于镍的(111)、(200)、(220)三个晶面(JCPDS编号：87-0712)，而位于35.7°、37.3°、43.3°63°的另外四个峰可归属于铁酸镍(NiFe

在上述结构中，通过对层状氢氧化物简单退火得到的多元金属氧化物包括锰掺杂铁酸镍(Mn-NiFe

请参考图5，本申请实施例还提供一种电容器制备方法，方法可以通过以下步骤实现。

步骤S21：提供电容器壳体、隔膜片及采用上述实施例中电容器阴极的制备方法所制备的电容器阴极。

步骤S22：制作表面负载有活性炭材料的电容器阳极。

步骤S23：将电容器阴极、隔膜片以及电容器阳极按照顺序装进电容器壳体内，并向电容器壳体内添加电解质溶液。

在本实施例中，电容器可以为电池型电容器，电容器壳体可以根据具体实际情况进行选择，示例性地，在实验室环境中，可以采用玻璃片加固定夹的简单结构对电容器的其他结构进行保护与组装。

进一步地，请参考图6，步骤S22可以通过以下方法实现。

子步骤S221：提供一泡沫镍薄片，将泡沫镍薄片依次置于丙酮溶液、3mol/L的盐酸溶液、无水乙醇及去离子水中进行超声清洗，去除泡沫镍薄片上的氧化层及杂质。

子步骤S222：对超声清洗后的泡沫镍薄片置于环境温度为60℃的干燥室内进行干燥处理11时～13时。

子步骤S223：将活性炭、碳黑、聚偏二氟乙烯(PVDF)按8∶1∶1的比例溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮中，得到含有活性炭材料的混合物。

子步骤S224：将含有活性炭材料的混合物涂覆于泡沫镍薄片的表面，而后将其置于环境温度为60℃的干燥室内进行干燥处理11时～13时，得到电容器阳极。

在本实施例中，活性炭具有比表面积大、孔径结构可调整、导电性能好、化学稳定性高等特点，采用活性炭制备电容器阳极，可以提高其电化学性能。

本申请实施例还提供一种电容器，电容器包括电容器壳体、隔膜片、电容器阳极及采用上述实施例中电容器阴极的制备方法所制备的电容器阴极。电容器阴极、隔膜片以及电容器阳极按照顺序容置于电容器壳体内，其中，电容器阴极表面生长有多元金属氧化物，电容器阳极表面负载有活性炭材料，隔膜片用于保存电解质溶液。

在本实施例中，请再次参考图4，利用两电极系统测试本申请实施例提供的电容器性能可以得知，在1mA·cm

进一步地，电容器阴极包括泡沫镍薄片及生长于泡沫镍薄片表面的多元金属氧化物。其中，泡沫镍薄片的厚度为1.5mm、孔径大小为0.1mm、面密度为350g/m

在本实施例，电容器阴极中的多元金属氧化物紧密生长在泡沫镍薄片表面，具有较高的电荷转移速率和结构稳定性。

更进一步地，电容器阳极包括泡沫镍薄片及涂覆于泡沫镍表面的含有活性炭材料的混合物。其中，泡沫镍薄片的厚度为1.5mm、孔径大小为0.1mm、面密度为350g/m

综上所述，本申请实施例提供一种电容器阴极的制作方法、电容器制作方法及电容器，在电容器阴极的制作方法中，采用泡沫镍薄片在反应溶液生成层状氢氧化物，然后通过退火处理将层状氢氧化物转化得到多元金属氧化物的方法，不仅可以通过简单的化学反应在大规模生产中制备所需的产物，还可以通过控制反应条件及反应物比例实现产物的可控性与重复性。此外，由该种方法制备得到的多元金属氧化物不仅可以紧密生长在泡沫镍薄片表面，提高电容器阴极在大电流下的长期循环稳定性，还具有高比表面积和优异的电化学性能。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。