一种具有核壳结构氧化镍阴极及其制备方法与流程

本发明涉及电池，具体涉及一种具有核壳结构氧化镍阴极及其制备方法。

背景技术：

1、超级电容器作为一种直接储存电荷的二次储能器件，相比于二次电池其主要优势在于具有更高的功率密度、更长的循环性能以及更加绿色环保且具备可靠性，因此能够被广泛应用于移动通信设备、军事以及动力等领域。

2、过渡金属氧化物作为超级电容器材料相比于碳基材料具有更高的比电容和更优异的循环可逆性，被认为是更适合商业化应用的材料。其中主要包括氧化钌、氧化镍、二氧化锰、氧化钒、四氧化三钴等，其中纳米氧化镍相比于氧化钌具有成本优势，而相比于其他材料具有更高的理论比电容(2584f/g)及更长的循环寿命，因此综合来看最具商业化前景。但是nio导电性差且纳米颗粒容易团聚导致实际容量发挥不稳定且制备工艺复杂限制了其应用。

3、公开号为cn101333008a的专利申请公开了一种纳米氧化镍复合粉制备方法：制备了掺杂镍、钴、锌等金属元素的纳米氧化镍复合材料，该材料制作的超级电容器内阻低，提高了材料的导电性，但比容量最高也仅为360f/g。

4、授权号为cn106206058b的发明专利制备了一种石墨稀/金属氧化物复合材料，通过十二烷基苯磺酸钠与聚乙烯吡咯烷酮复配形成特殊结构微元，分散氧化石墨烯，复合电极的比电容量可达390f/g。

5、但上述方法所制备材料所发挥的比电容量距离理论容量仍有很大差距，且并未解决纳米氧化镍在制备电极过程中容易团聚导致循环电场分布不均匀的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有核壳结构氧化镍阴极及其制备方法，可大幅度提高电极比容量和可逆性，同时通过原位生长的方式合成活性物质纳米氧化镍，完全避免电极制备过程中产生的团聚问题。通过本发明制备得到的电极材料制备的具有更高的比容量，同时循环性能更优异，合成工艺简单。

2、本发明的具体技术方案如下：

3、一种具有核壳结构氧化镍阴极的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)在衬底镍箔的表面沉积镍膜；

5、(2)使用甲硅烷与步骤(1)中所得衬底镍箔表面沉积的镍膜反应生成硅化镍纳米线，得到硅化镍纳米线改性的镍箔；

6、(3)加热步骤(2)中的得到的硅化镍纳米线改性的镍箔，与通入氧气发生氧化反应，得到所述核壳结构氧化镍阴极。

7、优选的，步骤(1)中，沉积镍薄膜使用热丝化学气相沉积技术，具体步骤如下：

8、将镍箔挂在钨丝上，在真空环境下用氢气流进行热蒸发，沉积到衬底镍箔上。

9、所述衬底镍箔的温度为250-300℃，热蒸发压力为0.3-1mbar，氢气流速为150-200sccm，沉积厚度为40～50nm。

10、优选的，步骤(2)中的具体步骤为：使用热线化学气相沉积技术，将甲硅烷和氢气在真空环境下使用高温灯丝解离，之后沉积到衬底镍箔表面，与衬底镍箔表面沉积的镍膜反应生成硅化镍纳米线。纳米镍薄膜和甲硅烷全部反应生成nisi纳米线。

11、通过热丝化学气相沉积技术(hwcvd)在镍箔表面沉积高导电性硅化镍，然后在硅化镍表面原位生成活性物质氧化镍能够保证纳米氧化镍的高导电性及高比表面积。

12、所述高温灯丝温度为1800-1900℃，解离时间为15-25min，甲硅烷流速为6-10sccm，氢气流速为150-200sccm，衬底镍箔的温度为500-600℃，沉积压力为1.5-3mbar，衬底镍箔的压力为5×10-7mbar。

13、具体的，步骤(3)中，氧气流速为15-20sccm，加热至温度为350-400℃，升温速率为10-15℃/min，保温时间为120-200min。

14、通过原位生长活性物质能够有效避免纳米氧化镍颗粒在制备电极过程极易团聚的问题。

15、本发明还提供了一种所述的制备方法制备的具有核壳结构氧化镍阴极。

16、本发明还提供了一种电池，包括所述具有核壳结构氧化镍阴极。

17、本发明的有益效果：

18、(1)通过热丝化学气相沉积技术(hwcvd)在镍箔表面沉积高导电性硅化镍，然后在硅化镍表面原位生成活性物质氧化镍能够保证纳米氧化镍的高导电性及高比表面积，因此相比于纳米氧化镍粉末作为活性物质，放电比容量能够提高221％；

19、(2)通过原位生长活性物质能够有效避免纳米氧化镍颗粒在制备电极过程极易团聚的问题，且改工艺方案更为简单，容易实现工业化量产；

20、(3)相较于纳米氧化镍颗粒涂覆于集流体上的传统工艺，原位生长的纳米氧化镍薄膜与集流体接触面积更大，界面电阻更小，因此循环性能更优异，在4a/g的电流密度下1000圈能够提高14％。

技术特征：

1.一种具有核壳结构氧化镍阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，沉积镍薄膜使用热丝化学气相沉积技术，具体步骤如下：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述衬底镍箔的温度为250-300℃，热蒸发压力为0.3-1mbar，氢气流速为150-200sccm，沉积厚度为40～50nm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的具体步骤为：使用热线化学气相沉积技术，将甲硅烷和氢气在真空环境下使用高温灯丝解离，之后沉积到衬底镍箔表面，与衬底镍箔表面沉积的镍膜反应生成硅化镍纳米线。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述高温灯丝温度为1800-1900℃，解离时间为15-25min，甲硅烷流速为6-10sccm，氢气流速为150-200sccm，衬底镍箔的温度为500-600℃，沉积压力为1.5-3mbar，衬底镍箔的压力为5×10-7mbar。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，氧气流速为15-20sccm，加热至温度为350-400℃，升温速率为10-15℃/min，保温时间为120-200min。

7.一种权利要求1～6任一项所述的制备方法制备的具有核壳结构氧化镍阴极。

8.一种电池，其特征在于，包括权利要求7所述具有核壳结构氧化镍阴极。

技术总结
本发明公开了一种具有核壳结构氧化镍阴极及其制备方法，涉及电池技术领域。本发明通过热丝化学气相沉积技术(HWCVD)在镍箔表面沉积高导电性硅化镍，然后在硅化镍表面原位生成活性物质氧化镍能够保证纳米氧化镍的高导电性及高比表面积，因此相比于纳米氧化镍粉末作为活性物质，放电比容量能够提高221％；通过原位生长活性物质能够有效避免纳米氧化镍颗粒在制备电极过程极易团聚的问题，且改工艺方案更为简单，容易实现工业化量产；相较于纳米氧化镍颗粒涂覆于集流体上的传统工艺，原位生长的纳米氧化镍薄膜与集流体接触面积更大，界面电阻更小，因此循环性能更优异，在4A/g的电流密度下1000圈能够提高14％。

技术研发人员：皮尔班·贾赫罗米·锡亚马克,黄碧英,张天任,张海源,王宏杰,余凯,王金明
受保护的技术使用者：天能电池集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6