一种纤维状镍铋电池及其制备方法转让专利
申请号 : CN201910665249.7
文献号 : CN110474023B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 彭慧胜 , 王梦莹 , 解松林
申请人 : 复旦大学
摘要 :
权利要求 :
1. 一种纤维状镍铋电池的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:第一、还原氧化石墨烯‑铋‑碳纳米管纤维负极的制备通过化学气相沉积法合成可纺的碳纳米管阵列,催化剂使用Fe / Al2O3,碳源为乙烯,气相载体为氩气和氢气的混合气体;随后,从碳纳米管阵列中拉出取向碳纳米管薄膜,叠加铺排于玻璃基底上,纺成取向碳纳米管纤维;
用Hummer法制备氧化石墨烯;在烧杯中加入体积浓度为0.01 0.09 mg/mL的氧化石~
墨烯水溶液,加入乙二胺四乙酸二钠,使其浓度为0.1 0.5mol/L,在磁力搅拌器上搅拌成~
溶液,加入10 100mmol/L的五水硝酸铋,用NaOH溶液调节PH至4.5 5.5,得到电镀液;
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以取向碳纳米管纤维为工作电极,石墨棒为对电极,汞‑氧化汞电极为参比电极,用上述制备的电镀液进行恒电压电镀;电镀电压为‑0.9V ‑1.6V,电镀时间为1 10min,得到还~ ~
原氧化石墨烯‑铋‑碳纳米管纤维;将其放在去离子水中浸泡,除去表面电解液;在热台上烘干;
第二、还原氧化石墨烯‑镍‑氧化镍碳纳米管纤维正极的制备通过湿化学溶胶凝胶法制备氧化镍;在烧杯中加入体积浓度为0.5 1.5mg/mL的氧化~
石墨烯水溶液,加入氧化镍,使其浓度为1 5mg/mL,在40 60 ℃超声10 30 min,得到氧化~ ~ ~
石墨烯、氧化镍混合溶液;然后加入浓度为95%的水合肼,水合肼与上述混合溶液体积比为
1:100 1:400;在40 60 ℃下继续搅拌8 12 h;将上述混合溶液离心,得到的沉淀物用去~ ~ ~
离子水和乙醇清洗多次,在40 60 ℃真空干燥箱中过夜得到还原氧化石墨烯‑氧化镍复合~
物;将上述得到的复合物在400 600℃管式炉中氩气环境下退火1 5 h,得到还原氧化石~ ~
墨烯‑镍‑氧化镍复合物;
将上述5 15 mg复合物溶解在1 5 mL的乙醇中,在40 60 ℃下超声10 30min;将~ ~ ~ ~
上述得到的溶液均匀滴加到取向碳纳米管薄膜上,并卷起来,得到还原氧化石墨烯‑镍‑氧化镍碳纳米管纤维;
第三、纤维状镍铋电池的制备
以上述制备得到的还原氧化石墨烯‑铋‑碳纳米管纤维为负极,还原氧化石墨烯‑镍‑氧化镍碳纳米管纤维为正极进行匹配,并以氢氧化钾水溶液为电解质得到纤维状镍铋电池。
2. 根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤一中,氧化石墨烯水溶液浓度为
0.02~ 0.05mg/mL,乙二胺四乙酸二钠盐浓度为0.1 ~ 0.2mol/L,Bi(NO3)3·5H2O的浓度为
40 60mmol/L;以取向碳纳米管纤维为工作电极,恒电压电镀时间为1 5 min。
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3. 根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤二中,氧化石墨烯水溶液浓度为
0.5 1.0 mg/mL,氧化镍浓度为1 2mg/mL,退火温度为500 600 ℃,退火时间为1 2 ~ ~ ~ ~
h,乙醇中复合物浓度为4 8mg/mL。
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4. 如权利要求1 3之一所述制备方法得到的纤维状镍铋电池,其特征在于,以具有三~
维结构的还原氧化石墨烯‑铋‑碳纳米管纤维为负极,以具有分层导电结构的还原氧化石墨烯‑镍‑氧化镍碳纳米管纤维为正极;以氢氧化钾水溶液为电解质。
说明书 :
一种纤维状镍铋电池及其制备方法
技术领域
背景技术
度和安全性是三个关键因素。比如,随着更多数量的新型的可穿戴电子设备被整合到电子
织物中,能量储能器件也得相应地具备高的能量密度和功率密度才能满足其能量需求。纤
维状能量储存器件通常被缝到衣服中,因此在使用过程中必须具备高的安全性。
比如锂离子纤维状电池尽管具有较高的能量密度,但是功率密度较低,且大多采用传统的
有机电解液体系,这决定了其在可穿戴应用时面临了很大的安全风险。因此,制备同时具备
高能量密度、功率密度和安全性的纤维状能量储存器件仍然面临很大的挑战。
发明内容
过匹配正负极容量,最终得到性能稳定的纤维状镍铋电池。
出取向碳纳米管薄膜,叠加铺排于玻璃基底上,最后纺成取向碳纳米管纤维;
化石墨烯水溶液,加入乙二胺四乙酸二钠,使其浓度为0.1 0.5mol/L,在磁力搅拌器上搅
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拌成溶液后,加入一定量的五水硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)(10 ~50mmol/L),用NaOH溶液调节
PH至5 6,得到电镀液;
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为1 10min。将电镀后得到的还原氧化石墨烯‑铋‑碳纳米管纤维在去离子水中浸泡除去
~
表面电解液后,在热台上烘干。
的氧化石墨烯水溶液,加入氧化镍,使其浓度为1 5mg/mL,在40 60 ℃超声10 30 min。然
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后加入一定量(与上述溶液体积比为1:100 1:400)的95%水合肼,在40 60 ℃下继续搅拌
~ ~
8 12 h。将上述混合溶液离心,得到的沉淀物用去离子水和乙醇清洗多次,在40 60 ℃真空
~ ~
干燥箱中过夜得到还原氧化石墨烯‑氧化镍复合物。将上述得到的复合物在400 600 ℃管
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式炉中氩气环境下退火1 5 h,得到还原氧化石墨烯‑镍‑氧化镍复合物;
~
10 30min。将上述得到的溶液均匀滴加到取向碳纳米管薄膜上,并卷起来后得到还原氧化
~
石墨烯‑镍‑氧化镍碳纳米管纤维。
电池。
mL;优选乙二胺四乙酸二钠盐浓度为0.1~0.2mol/L,更优选为0.1mol/L;优选Bi(NO3)3·
5H2O的浓度为10~100 mmol/L,更优选为50 mmol/L;优选溶液PH为4~7,更优选PH为5;优选
取向碳纳米管纤维为工作电极;优选恒电压电镀法电镀电压为‑1.2V ‑1.5V,更优选电镀
~
电压为‑1.4V;优选恒电压电镀时间为2 5 min,更优选电镀时间为5 min。
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优选氧化镍浓度为1 2mg/mL,更优选为1.5 mg/mL;优选95%水合肼体积比为1:100 1:
~ ~
300,更优选为1:200;优选退火温度为500 600 ℃,更优选为600 ℃;优选退火时间为1
~ ~
2 h,更优选为1h;优选乙醇中复合物浓度为4 8mg/mL,更优选为5mg/mL。
~
输效率的提高;并且由于还原氧化石墨烯的引入,一方面提高了导电性能,另一方面也提高
了活性材料与导电材料之间的接触面积,从而提高了活性材料的利用率。
43.35Wh/kg或者26.01mWh/cm(根据正负极活性材料的质量总和,纤维总体积来计算),这
3
大约是商业薄片锂离子电池的两倍;功率密度高达6600 W/kg或者3.96 W/cm ,比超级电容
器的功率密度还要高。此外,该纤维状镍铋电池具有极高的循环稳定性,充放电循环1万圈
后仍有96%的能量保持。
附图说明
的倍率性能图。
具体实施方式
纳米管薄膜,叠加铺排于玻璃基底上,最后纺成取向碳纳米管纤维。
上搅拌成溶液后,加入一定量的五水硝酸铋(50mmol/L),用NaOH溶液调节PH至5.3,得到不
同浓度的电镀液。
min、2min、5 min、10 min。将电镀后得到的还原氧化石墨烯‑铋‑碳纳米管纤维在去离子水
中浸泡除去表面电解液后,在热台上烘干得到纤维负极,如图3。
溶液体积比为1:200)的95%水合肼,在60 ℃下继续搅拌12 h。将上述混合溶液离心,得到的
沉淀物用去离子水和乙醇清洗多次,在60 ℃真空干燥箱中过夜得到还原氧化石墨烯‑氧化
镍复合物。将上述得到的复合物在600 ℃管式炉中氩气环境下退火1h,得到还原氧化石墨
烯‑镍‑氧化镍复合物,如图4。
烯‑镍‑氧化镍碳纳米管纤维。
3
两倍;功率密度高达6600 W/kg或者3.96 W/cm ,比超级电容器的功率密度还要高。此外,该
纤维状镍铋电池具有极高的循环稳定性,充放电循环1万圈后仍有96%的能量保持。