目前對(duì)可再生能源大規(guī)模蓄能系統(tǒng)的需求日益增加,從而加快了人們對(duì)于新的高性能儲(chǔ)能設(shè)備的研究與開(kāi)發(fā)。人們一直在尋求新型的儲(chǔ)能裝置,超級(jí)電容器它比先進(jìn)的電池具有更高的安全性和更低的成本。對(duì)于儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換裝置,特別是超級(jí)電容器,由于更好地利用可再生資源,越來(lái)越受到人們的關(guān)注。超級(jí)電容器也因其充放電能力快、循環(huán)壽命高和功率密度高的特點(diǎn)而被認(rèn)為是最有希望的設(shè)備之一。與可充電電池相比,超級(jí)電容器的能量密度相對(duì)較低,仍需進(jìn)行重大改進(jìn)。提高電極材料的比容量是解決這一問(wèn)題的重要途徑之一。

近年來(lái),過(guò)渡金屬硫化物作為超級(jí)電容器的新型電極材料得到了廣泛的研究。而硫化鎳由于其理論比容量高,導(dǎo)電性好,機(jī)械和熱穩(wěn)定性好受到了特別的關(guān)注。例如,Yu等人所報(bào)道的硫化鎳盒裝空心結(jié)構(gòu)在電流密度為1 A g-1的情況下產(chǎn)生了668 F g-1的高比容量,并具有顯著的速率性能(在20 A g-1時(shí)電容保持率為71%)。楊氏等人合成的層狀花狀硫化鎳,其比電容為972.3 F g-1,在2 A g-1處具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。然而,硫化鎳在其充放電過(guò)程中存在氧化還原反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生體積效應(yīng)造成容量的衰減。因此,生物模板法制備的中空碳球作為一種基板可以有效地抑制體積效應(yīng)、增加導(dǎo)電性以及與電解液的接觸面積從而提高材料的性能。并且使用酵母制備的碳球與化學(xué)反應(yīng)制備的碳球相比其作為一種生物材料有著綠色環(huán)?？沙掷m(xù)的優(yōu)良特點(diǎn)。

本發(fā)明通過(guò)硫化鎳納米棒和氮摻雜生物碳球的復(fù)合,有效抑制氧化還原反應(yīng)過(guò)程的體積效應(yīng),進(jìn)而提高材料的穩(wěn)定性和比容量。即：通過(guò)引入生物氮摻雜碳球來(lái)抑制水熱過(guò)程中硫化鎳納米棒的自組裝,在生物氮摻雜碳球的表面生長(zhǎng)致密的硫化鎳納米棒提高了材料的比表面積和電導(dǎo)率并且抑制了氧化還原過(guò)程中活性材料的聚集,提高超級(jí)電容器的穩(wěn)定性和比容量。

一種中空生物碳球基硫化鎳納米棒超級(jí)電容器,包括步驟如下：

(1)將干酵母溶于葡萄糖水溶液,培養(yǎng)30 min制得酵母溶液,然后離心去除細(xì)胞質(zhì)；

(2)將步驟(1)得到酵母置入反應(yīng)釜中并加入15 mL水和1 mL戊二醛溶液；

(3)將步驟(2)所得的溶液在反應(yīng)釜中攪拌1 h,隨后在180℃恒溫12 h,離心洗滌并烘干；

(4)將步驟(3)所得烘干后的棕紅色樣品置于馬弗爐中以1℃/min的升溫速率升溫至300℃并恒溫1 h；

(5)將步驟(4)所得預(yù)氧化后的黑色樣品置入管式爐中在惰性氣體氛圍下以2℃/min的升溫速率升溫至800℃并恒溫3 h,待其自然降溫,即得碳球成品；

(6)將步驟(5)所得的碳球與乙酸鎳、硫脲、亞磷酸鈉以及2 mL氨水加入到反應(yīng)釜中攪拌1 h;

(7)將步驟(6)所得溶液在180℃條件下恒溫6 h,離心洗滌并烘干,即得超級(jí)電容器成品。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

1. 本發(fā)明超級(jí)電容器與普通硫化鎳超級(jí)電容器相比,克服了充放電過(guò)程由于體積效應(yīng)引起的容量衰減以及倍率性能的降低的缺點(diǎn)；

2. 本發(fā)明超級(jí)電容器與傳統(tǒng)的碳球制備相比具有良好的尺寸可控性以及綠色環(huán)保的特點(diǎn)；

3. 本發(fā)明超級(jí)電容器通過(guò)引入氮摻雜碳球提高了材料的比表面積錦衣增大了材料與電解液的接觸面積增加了反應(yīng)位點(diǎn)促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移，提高了材料的比容量。